上海交大变革性分子前沿科学中心申涛团队实现张力环的可编程电化学开环多官能团化

近日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心申涛副教授团队在Nature Chemistry上发表题为“Programmable divergent electrochemical ring-opening multifunctionalization of strained rings”的最新研究成果。该研究通过连续C–C键和多个C(sp3)–H键的电化学氧化，活化了环骨架上所有碳原子位点，首次实现了张力环的多位点、可编程、发散式开环多官能团化，突破了长期以来张力环开环主要停留于双官能团化的传统模式，为高氧化态、多取代复杂药物分子的高效构建提供了新思路。

张力环开环官能团化是有机合成中极具价值的转化方式，但现有研究大多局限于环丙烷和环丁烷的1,3-或1,4-双官能团化。如何进一步活化环骨架上所有碳原子位点，实现连续C–H/C–C键断裂与多重官能团引入，一直是该领域的核心挑战。其根本原因在于：初始官能团化往往会显著降低相邻C–H键的反应活性，使后续选择性氧化和深度转化极难实现。因此，如何在多个惰性C–H/C–C键之间实现位点、区域和氧化态的精准控制，一步构建高复杂度分子，长期未获突破。针对这一难题，基于申涛团队对光电催化连续多位点官能团化的持续兴趣 (Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e22498; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202508166; Nat. Commun. 2025, 16, 6115; Nat. Synth., 2026, in press.)，团队进一步构建了一个融合直流电解（DC）、快速交变极性电解（rAP）和电光催化（EPC）的可编程电化学平台，建立了张力环多位点连续氧化的新范式。该平台可实现约150种化合物的高效合成，产物类型涵盖多氧杂环、氧氮杂䓬、多卤代烷烃等多类高价值分子，并首次实现对张力环骨架每一个碳中心的有效活化，展现出优异的底物普适性和官能团兼容性。

该工作的关键创新在于提出并验证了“烯烃缓释池”（Olefin Slow-Release Pool, OSRP）新概念。作者发现，在酸性条件下，张力环开环后的双官能团化中间体可经历缓慢、可逆的消除，持续释放低浓度活性烯烃中间体；这些烯烃随后进入后续电化学氧化，触发连续的消除/氧化级联过程，最终实现相邻C–H/C–C键的逐步活化与多重官能团化。该策略既保证了深度氧化所需的反应活性，又有效抑制了烯烃易发生的聚合和过度氧化副反应，为多步串联氧化反应的精准调控提供了新思路。具体而言，锰催化剂可通过Hock重排促进二氧杂䓬的形成；快速交变极性（rAP）电解则可分别由三元环和四元环底物得到三氧化或五氧化的二氢恶唑衍生物；而在直流（DC）电解条件下，结合光照与光催化剂（PC）或卤化试剂，则可生成五氧化二氢恶唑或开链卤代烷烃，并且对多种具有药物相关性的官能团表现出良好的兼容性（图1）。对于通常被认为化学惰性的底物进行氧官能团化，目前正处于快速发展阶段。因此，这一针对简单底物实现多重官能团化的稳健且可编程的平台，对合成化学家而言具有很高的应用价值。

图1. 张力环的开环多官能团化

综上，上海交通大学变革性分子前沿科学中心申涛副教授团队开发了一种可编程且多样化的电化学策略，展示了一个能够由简单张力环烷烃出发、构建出令人惊叹之广泛产物谱系的氧化平台。通过综合运用多种当代与经典的活化手段，作者实现了氧化及多氧化级联过程，可用于制备二氧杂䓬、二氢恶唑以及多卤代烷烃，并且部分反应已可放大至制备规模。这类具有广泛适用性的合成平台，使化学家能够从简单砌块高效生成复杂分子，并继续通过断键驱动的反应模式重新想象分子合成的构建逻辑。

该研究成果以“Programmable divergent electrochemical ring-opening multifunctionalization of strained rings”为题发表于Nat. Chem.。上海交通大学变革性分子前沿科学中心申涛副教授及宁波东方理工朱宸副教授为论文共同通讯作者，上海交通大学博士生李亚娟为第一作者。本研究得到了国家自然科学基金（22301179, 2247115, 22401164）、中央高校基本科研业务费专项资金（24X010301678、23X010301599）、优秀青年科学基金项目（海外），上海交大“2030计划”及滚动支持 （WH510363003/014）, 上海市启源公益基金, 上海市科学技术委员会重大项目, 新一代人工智能国家科技重大专项（2025ZD0121904）, 福建省自然科学基金（2021J05280）以及福建省引进高层次人才项目（01102801）, 仲英青年学者、小米青年学者等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-026-02110-z

新闻评述链接：https://www.nature.com/articles/s41557-026-02118-5

导师介绍

申涛，上海交通大学变革性分子前沿科学中心长聘教轨副教授，PI，博士生导师，2017年在北京大学获得博士学位，导师为焦宁教授，2018-2022于Tristan Lambert 教授课题组进行博士后研究，2022年入职上海交通大学，课题组主要围绕惰性键的选择性活化与重组，绿色合成化学等展开研究。近五年以第一/通讯作者在Science, Nature, Nat. Chem., Nat. Synth., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.等发表研究论文20余篇。入选国家高层次人才计划，上海市领军人才计划，上海科技青年35人引领计划，上海交通大学“2030计划”及滚动支持。荣获首届上海启源青年学者，仲英青年学者（Tang Scholar），小米青年学者，Thieme Chemistry Journals Award，教育部自然科学一等奖，中国新锐科技人物杰出成就奖，达摩院青橙奖“最具潜力奖”，NHU-CJC Innovation Award等荣誉，目前担任Chinese Chemical Letters青年编委。热忱欢迎对有机合成化学，绿色合成化学的博士后和研究生加入！

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/shen_tao

作者： 申涛团队 供稿单位： 变革性分子前沿科学中心