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中國科學技術大學精準智能化學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)異構化反應。在該工作中，作者設計開發(fā)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(fā)展了硼自由基催化的不對稱環(huán)化異構化反應。北京時間12月1日，國際著名學術期刊《科學》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、認識手性世界的重要方式。開發(fā)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(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，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。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，在反應中容易失活，極難構建有效的催化循環(huán)；2）大多數(shù)自由基的結構不易改造和修飾，難以對手性環(huán)境進行精細調控。

圍繞上述挑戰(zhàn)，中國科學技術大學汪義豐教授、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(fā)展了一類反應機制和催化循環(huán)全新的不對稱環(huán)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，為反應的手性調控提供了基礎。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、氫原子轉移、分子內(nèi)環(huán)化和消除四個基元步驟，構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計算、電子順磁共振（EPR）光譜、氘代標記實驗等多種手段，闡釋了催化反應機理和立體選擇性來源，實現(xiàn)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(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的發(fā)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。

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)異構化反應中的應用

中國科學技術大學博士生王長嶺、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基金、中國科學院和中國科學技術大學項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adg1322