非芳香性雜環、碳環，是無數生物活性分子和功能分子的基本骨架。其中，四元飽和環狀分子比如氮雜環丁烷（azetidines）、硫雜環丁烷（thietanes）和環丁烷（cyclobutanes），因其具有與藥物相關的理化性質（如效力、穩定性、代謝穩定性和靶點選擇性），在藥物化學領域受到愈來愈多的關注。傳統上，合成這些四元環化合物的方法，主要依賴於將環狀結構拆解成更簡單的起始物，再透過多個步驟來組裝。但這種方法不僅耗能、耗時，還會產生大量廢棄物，且能合成的分子骨架種類也受到環加成反應或親核取代反應的限制。若能開發出一種新策略，能選擇性地將容易取得的氧雜環丁烷（oxetanes）的氧原子替換成氮、硫或碳，就能在單一步驟中將其轉化為各種高價值的飽和雜環和碳環。然而，這種原子交換策略非常困難：必須找到合適的試劑和條件來優先活化並交換氧原子，同時抑制副反應的發生。

近日，新加坡國立大學和香港中文大學的研究團隊，成功開發出一種光催化策略，可以選擇性地將氧雜環丁烷的氧原子替換成氮、硫或碳基團，從而在溫和條件下合成多種具有藥理性質的四元和五元飽和環。該轉化過程透過「刪除-插入」機制進行，也就是先透過光催化將氧雜環丁烷的環狀結構打開，形成二溴化物中間體，接著讓該中間體與親核試劑進行環化反應，重新形成環狀結構。該反應展現出優異的化學選擇性和官能基相容性，即使分子中同時存在其他醚類、酯基、鹵代芳香環、酚類等官能基，反應仍選擇性地只替換掉氧原子（產率為30-98%）。研究團隊還展示了該方法在後期官能化上的應用潛力，成功將磷酸二酯酶抑制劑透過氧-硫原子交換，轉化為藥效提升三倍的類似物；也將抗結核藥物前驅物透過氧-碳原子交換轉化為1,1-二氟環丁烷同分異構物，有望提高代謝穩定性和藥效。