合成手性分子的根本途徑

Paolo Melchiorre教授所帶領的研究團隊，在西班牙加泰羅尼亞化學研究所（ICIQ）探究出一種選擇性合成手性分子的新方法。該新方法是將對映選擇性亞胺離子化學過程與光致氧化還原催化劑結合在一起，在非常溫和的條件下發生反應，得到具有極高對映選擇性的四元碳立構中心。這一研究結果被刊登在Nature雜志上。

手性分子指的是，一個碳原子通過四根共價鍵與四個取代基相連，當這四個取代基都以碳為中心時被稱作四元立構中心。如果一個分子是手性的，那么這個分子就存在兩種可能的対映構型（這兩種構型程鏡面對稱，永遠不可能重疊）。手性分子有多種應用，尤其是在生物化學領域，因為手性分子對于生命的起源非常重要。

Melchiorre教授的團隊在手性分子的合成上取得突破性進展，他們把由可見光激發的催化劑與手性有機催化劑相結合，從而實現了選擇性合成所需分子。

Melchiorre教授說，“該方法成功的關鍵就是手性有機催化劑的設計，因為它可以立體選擇性地阻止由光化學驅動的碳中心自由基的生成。手性有機催化劑在未來有可能對立體選擇性合成四元立構中心起到促進作用，這是用傳統方法無法實現的。我們現在正在努力探究這些可能性。”

一般情況下，手性分子的合成需要有機金屬化合物并嚴格控制反應條件。相比較而言，ICIQ提出的探究結果，反應條件更為溫和，有望成為手性分子合成的新方法。

圖1. 合成四元立構中心的共軛加成技術
a. 通過經典極化方法，建立金屬催化的有機金屬試劑的對映選擇性共軛加成
b. 為雙重氧化還原反應和亞胺離子催化劑作用下的原子團共軛加成（RCAs）反應設計方案；灰色圈中表示手性有機催化劑支架；
c. 實現在亞胺離子催化下，原子團(?R2)進行共軛加成反應是一項挑戰；
d. 通過電子接力方法進行分子內反應，快速去除壽命短暫的α-iminyl自由基正離子，而互變異構化的作用是防止電子的反向傳輸（BET）。
其中，SET代表但電子傳輸；PC代表光促催化劑；PCred代表光促催化劑的簡化形式。藍色橢圓表示電子富積，有還原性；紅色橢圓代表穩定的氧化性部分。

圖2 擬議機理和機理研究
a. 亞胺離子和光致氧化還原催化循環的協同作用，使得對映選擇性原子團共軛加成反應（RCA）在α,β-不飽和羰基化合物上得以實現1a。
自由基通過與亞胺離子發生加成反應A-1，電子傳遞機制快速地降低了不穩定的自由基正離子的數量B-1，并生成一個carbazoliumyl自由基正離子C-1，這一過程被由二級烯胺向相應的亞胺互變異構化時產生的反向電子傳輸所阻止D-1。在D-1過程減少carbazoliumyl自由基正離子可以實現光催化劑的再生，同時由于亞胺E-1的水解作用，氨基催化劑4被釋放。
b. 使用X射線觀察咔唑基亞胺離子A-1的晶體結構：咔唑氮到環己烯sp2 α-碳鍵中點的距離被標注出來。
c. 環合作用試驗表明，當使用咔唑基催化劑4e時，α-iminyl自由基中間產物B-1不會出現。

圖3 底物范圍：通過雙催化劑——光催化劑和有機催化劑的協同作用來對映選擇性地捕獲苯并二茂衍生自由基。
環狀α,β-不飽和羰基化合物1和苯并二惡茂烷取代基2能夠參與有機催化劑不對稱自由基共軛加成（RCA）來合成四元立構中心（如3所示）。3a – 3k展示了孤立產物的產量和對映體過量。通過2和HAT機制，TBADT-中間產物的光致氧化還原循環生成以碳為中心的基團的細節被展示在圖2a中。方框中圈出的是咔唑基有機催化劑4e。TBS：叔丁基二甲基氯硅烷；TBABF4：四丁基氟硼酸銨；d.r.：非対映的比例。

圖4 底物范圍：通過雙催化劑——光催化劑和有機催化劑的協同作用來對映選擇性地捕獲α-氨基自由基。
a. 光化學有機催化劑自由基共軛加成反應促使四元立構中心的生成。
b. 環狀α,β-不飽和羰基化合物1和叔胺6能夠參加該反應。7a – 7k展示了獨立產物的產量和對映體過量。通過SET機制，銥中間產物的光致氧化還原循環產生以碳為中心的基團的細節被展示在圖2a中。方框中圈出的是銥光致氧化還原催化劑8的結構。
c. 使用苯甲酮光催化劑9進行的純有機催化劑對映選擇性自由基共軛加成反應。

感謝材料人編輯部張文博提供素材。

文獻下載鏈接：Asymmetric catalytic formation of quaternary carbons by iminium ion trapping of radicals