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        科研進展

        中國科大在硼自由基催化不對稱合成領域取得進展

        日期: 2023-12-07

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        中國科學技術大學精準智能化學重點實驗室教授汪義豐、傅堯和副教授張鳳蓮聯合研究團隊,發展了一類手性硼自由基催化的不對稱環異構化反應。該工作設計開發了一類結構和功能全新的手性氮雜卡賓-硼自由基催化劑,并發展了硼自由基催化的不對稱環化異構化反應。12月1日,相關研究成果在線發表在《科學》(Science,DOI:10.1126/science.adg1322)上。

        不對稱催化是合成手性功能分子、認識手性世界的重要方式。開發結構和功能新穎的手性催化劑及其催化的不對稱反應是不對稱催化領域研究的重點。自由基物種含有未成對電子,其反應活性高,反應模式與離子型反應不同,在有機合成化學中發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,在反應機制、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。而實現該類型不對稱催化極具挑戰性,原因在于有機自由基極其活潑,在反應中易失活,極難構建有效的催化循環;多數自由基的結構不易改造和修飾,難以對手性環境進行精細調控。

        為了應對上述挑戰,該團隊基于前期對有機硼自由基性能的深入研究,設計了一類結構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,發展了一類反應機制和催化循環全新的不對稱環異構化反應。該類手性硼自由基前體制備簡單、結構豐富、易于修飾,為反應的手性調控奠定了基礎。手性硼自由基表現出優秀的催化功能,通過對炔烴的選擇性加成、氫原子轉移、分子內環化和消除四個基元步驟,構建了硼自由基催化循環。在自由基環化步驟,氮雜卡賓上的手性組分建立手性環境,控制了自由基中間體的對映選擇性。

        此外,該研究通過量子化學計算、電子順磁共振(EPR)光譜、氘代標記實驗等手段,闡釋了催化反應機理和立體選擇性來源,實現了對催化過程的精準調控,為未來基于人工智能的催化劑精準設計奠定了理論基礎。

        該工作不僅首次展現了硼自由基催化不對稱合成的強大功能,而且將啟發和推動其他主族元素自由基催化劑及其不對稱催化反應的發展,為手性功能分子的合成提供全新的設計思路和催化模式。

        研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院和中國科大的支持。

        中國科大在硼自由基催化不對稱合成領域取得進展

        手性氮雜環卡賓-硼自由基的開發及其在不對稱環異構化反應中的應用


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