合成手性分子的根本途径

Paolo Melchiorre教授所带领的研究团队，在西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）探究出一种选择性合成手性分子的新方法。该新方法是将对映选择性亚胺离子化学过程与光致氧化还原催化剂结合在一起，在非常温和的条件下发生反应，得到具有极高对映选择性的四元碳立构中心。这一研究结果被刊登在Nature杂志上。

手性分子指的是，一个碳原子通过四根共价键与四个取代基相连，当这四个取代基都以碳为中心时被称作四元立构中心。如果一个分子是手性的，那么这个分子就存在两种可能的対映构型（这两种构型程镜面对称，永远不可能重叠）。手性分子有多种应用，尤其是在生物化学领域，因为手性分子对于生命的起源非常重要。

Melchiorre教授的团队在手性分子的合成上取得突破性进展，他们把由可见光激发的催化剂与手性有机催化剂相结合，从而实现了选择性合成所需分子。

Melchiorre教授说，“该方法成功的关键就是手性有机催化剂的设计，因为它可以立体选择性地阻止由光化学驱动的碳中心自由基的生成。手性有机催化剂在未来有可能对立体选择性合成四元立构中心起到促进作用，这是用传统方法无法实现的。我们现在正在努力探究这些可能性。”

一般情况下，手性分子的合成需要有机金属化合物并严格控制反应条件。相比较而言，ICIQ提出的探究结果，反应条件更为温和，有望成为手性分子合成的新方法。

图1. 合成四元立构中心的共轭加成技术
a. 通过经典极化方法，建立金属催化的有机金属试剂的对映选择性共轭加成
b. 为双重氧化还原反应和亚胺离子催化剂作用下的原子团共轭加成（RCAs）反应设计方案；灰色圈中表示手性有机催化剂支架；
c. 实现在亚胺离子催化下，原子团(•R2)进行共轭加成反应是一项挑战；
d. 通过电子接力方法进行分子内反应，快速去除寿命短暂的α-iminyl自由基正离子，而互变异构化的作用是防止电子的反向传输（BET）。
其中，SET代表但电子传输；PC代表光促催化剂；PCred代表光促催化剂的简化形式。蓝色椭圆表示电子富积，有还原性；红色椭圆代表稳定的氧化性部分。

图2 拟议机理和机理研究
a. 亚胺离子和光致氧化还原催化循环的协同作用，使得对映选择性原子团共轭加成反应（RCA）在α,β-不饱和羰基化合物上得以实现1a。
自由基通过与亚胺离子发生加成反应A-1，电子传递机制快速地降低了不稳定的自由基正离子的数量B-1，并生成一个carbazoliumyl自由基正离子C-1，这一过程被由二级烯胺向相应的亚胺互变异构化时产生的反向电子传输所阻止D-1。在D-1过程减少carbazoliumyl自由基正离子可以实现光催化剂的再生，同时由于亚胺E-1的水解作用，氨基催化剂4被释放。
b. 使用X射线观察咔唑基亚胺离子A-1的晶体结构：咔唑氮到环己烯sp2 α-碳键中点的距离被标注出来。
c. 环合作用试验表明，当使用咔唑基催化剂4e时，α-iminyl自由基中间产物B-1不会出现。

图3 底物范围：通过双催化剂——光催化剂和有机催化剂的协同作用来对映选择性地捕获苯并二茂衍生自由基。
环状α,β-不饱和羰基化合物1和苯并二恶茂烷取代基2能够参与有机催化剂不对称自由基共轭加成（RCA）来合成四元立构中心（如3所示）。3a – 3k展示了孤立产物的产量和对映体过量。通过2和HAT机制，TBADT-中间产物的光致氧化还原循环生成以碳为中心的基团的细节被展示在图2a中。方框中圈出的是咔唑基有机催化剂4e。TBS：叔丁基二甲基氯硅烷；TBABF4：四丁基氟硼酸铵；d.r.：非対映的比例。

图4 底物范围：通过双催化剂——光催化剂和有机催化剂的协同作用来对映选择性地捕获α-氨基自由基。
a. 光化学有机催化剂自由基共轭加成反应促使四元立构中心的生成。
b. 环状α,β-不饱和羰基化合物1和叔胺6能够参加该反应。7a – 7k展示了独立产物的产量和对映体过量。通过SET机制，铱中间产物的光致氧化还原循环产生以碳为中心的基团的细节被展示在图2a中。方框中圈出的是铱光致氧化还原催化剂8的结构。
c. 使用苯甲酮光催化剂9进行的纯有机催化剂对映选择性自由基共轭加成反应。

感谢材料人编辑部张文博提供素材。

文献下载链接：Asymmetric catalytic formation of quaternary carbons by iminium ion trapping of radicals