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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室汪義豐教授、傅堯教授和張鳳蓮副教授聯(lián)合研究團隊發(fā)展了一類手性硼自由基催化的不對稱環(huán)異構(gòu)化反應(yīng)。在該工作中，作者設(shè)計開發(fā)了一類結(jié)構(gòu)和功能全新的手性氮雜卡賓－硼自由基催化劑，并發(fā)展了硼自由基催化的不對稱環(huán)化異構(gòu)化反應(yīng)。北京時間12月1日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了該項工作。
不對稱催化是合成手性功能分子、認(rèn)識手性世界的重要方式。開發(fā)結(jié)構(gòu)和功能新穎的手性催化劑及其催化的不對稱反應(yīng)是不對稱催化領(lǐng)域研究的重點。自由基物種含有未成對電子，其反應(yīng)活性高，反應(yīng)模式與離子型反應(yīng)不同，在有機合成化學(xué)中發(fā)揮著日益重要的作用。利用自由基作為手性催化劑的不對稱反應(yīng)，在反應(yīng)機制、催化模式以及官能團兼容性等方面不同于過渡金屬催化、有機小分子催化和酶催化，有望為手性分子的合成提供全新的思路和策略。但是，實現(xiàn)該類型不對稱催化極具挑戰(zhàn)性，原因在于：1）有機自由基極其活潑，在反應(yīng)中容易失活，極難構(gòu)建有效的催化循環(huán)；2）大多數(shù)自由基的結(jié)構(gòu)不易改造和修飾，難以對手性環(huán)境進行精細調(diào)控。
圍繞上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)汪義豐教授、傅堯教授和張鳳蓮副教授聯(lián)合研究團隊基于前期對有機硼自由基性能的深入研究，設(shè)計了一類結(jié)構(gòu)新穎且易于修飾的手性氮雜卡賓-硼自由基催化劑，并利用其對不飽和烴加成可逆性的原理，發(fā)展了一類反應(yīng)機制和催化循環(huán)全新的不對稱環(huán)異構(gòu)化反應(yīng)。該類手性硼自由基前體制備簡單、結(jié)構(gòu)豐富、易于修飾，為反應(yīng)的手性調(diào)控提供了基礎(chǔ)。手性硼自由基表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化功能，通過對炔烴的選擇性加成、氫原子轉(zhuǎn)移、分子內(nèi)環(huán)化和消除四個基元步驟，構(gòu)建了硼自由基催化循環(huán)。在自由基環(huán)化步驟，氮雜卡賓上的手性組分建立手性環(huán)境，控制了自由基中間體的對映選擇性。
此外，該研究團隊通過量子化學(xué)計算、電子順磁共振（EPR）光譜、氘代標(biāo)記實驗等多種手段，闡釋了催化反應(yīng)機理和立體選擇性來源，實現(xiàn)了對催化過程的精準(zhǔn)調(diào)控，為未來基于人工智能的催化劑精準(zhǔn)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。
該工作不僅首次展現(xiàn)了硼自由基催化不對稱合成的強大功能，而且也將啟發(fā)和推動其他主族元素自由基催化劑及其不對稱催化反應(yīng)的發(fā)展，為手性功能分子的合成提供全新的設(shè)計思路和催化模式。
圖注：手性氮雜環(huán)卡賓-硼自由基的開發(fā)及其在不對稱環(huán)異構(gòu)化反應(yīng)中的應(yīng)用
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生王長嶺、王杰和特任副研究員靳繼康博士是本論文的共同第一作者。該研究獲得國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)項目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adg1322
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