導(dǎo)讀

近日，蘭州大學許鵬飛課題組在不對稱光催化領(lǐng)域取得重要突破，開發(fā)出基于手性鎂配合物的光誘導(dǎo)對映匯聚式自由基-自由基交叉偶聯(lián)新策略。該研究通過鎂催化劑與N-亞氨基吡啶葉立德和烯醇的雙配位作用，成功構(gòu)建前手性四元電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，建立了獨特的內(nèi)球模型反應(yīng)機制。研究首次證實該手性鎂配合物兼具三重功能：(1) 通過精確配位環(huán)境實現(xiàn)立體控制，(2) 作為電荷轉(zhuǎn)移催化劑，(3) 發(fā)揮路易斯酸活化作用。這一工作不僅為一步構(gòu)建含全取代立體中心的β-酮氨基酸衍生物提供了高效方法，更為發(fā)展新型多功能催化體系提供了重要思路。文章鏈接DOI：10.1021/jacs.5c03154

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

正文

在不對稱光催化研究領(lǐng)域，實現(xiàn)高對映選擇性的自由基-自由基交叉偶聯(lián)（RCC）反應(yīng)一直面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，這主要源于此類反應(yīng)過程中需要同時精確調(diào)控兩種不同自由基物種的交叉選擇性和對映選擇性。目前，該領(lǐng)域主要采用兩種策略：其一是通過非氧化還原金屬介導(dǎo)前手性自由基與瞬時自由基的選擇性偶聯(lián)；其二是利用具有氧化還原活性的金屬催化劑依次與兩種自由基發(fā)生氧化加成，進而形成高價有機金屬配合物來構(gòu)建內(nèi)球模型以實現(xiàn)立體控制。然而，盡管現(xiàn)有方法在RCC反應(yīng)中展現(xiàn)出有效的對映選擇性控制，但在開發(fā)兼具自由基生成和不對稱誘導(dǎo)兩項功能的路易斯酸催化內(nèi)球模型體系方面仍有待突破。針對這一關(guān)鍵科學問題，本研究創(chuàng)新性地提出了一種全新的對映匯聚式光催化策略，該策略的核心在于通過手性鎂催化劑與反應(yīng)中間體構(gòu)建具有特定空間構(gòu)型的雙重配位結(jié)構(gòu)，進而形成有序的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，最終實現(xiàn)光誘導(dǎo)過程的高效立體選擇性控制。這一創(chuàng)新設(shè)計巧妙地整合了羰基導(dǎo)向的手性誘導(dǎo)作用和葉立德實現(xiàn)的 N -自由基穩(wěn)定化功能兩大優(yōu)勢，不僅為解決RCC反應(yīng)中的選擇性控制難題提供了新思路，更為發(fā)展高效、簡潔且環(huán)境友好的新型不對稱光催化體系開辟了重要途徑。

Figure 1.Background and project design.（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

該策略展現(xiàn)出優(yōu)異的底物普適性，各類含不同取代基和空間位阻的β-酮酯均能以中等至優(yōu)異的對映選擇性（73%-94% ee）獲得目標產(chǎn)物。特別值得注意的是，該體系對非環(huán)狀β-酮酯同樣適用，相應(yīng)產(chǎn)物的ee值高達94%。此外，多種取代的N-亞氨基吡啶葉立德均表現(xiàn)出良好的兼容性，包括磺酰胺、氨基甲酸酯等保護基團。通過化合物3bc的X射線晶體結(jié)構(gòu)分析（CCDC 2414795），確證了產(chǎn)物的絕對構(gòu)型，為反應(yīng)機理研究提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)依據(jù)。

Scheme 1. Substrate Scope of the Enantioconvergent RCC Reactions （圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

作者通過一系列的機理驗證實驗，證實了電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物以及光誘導(dǎo)匯聚式RCC反應(yīng)的形成。首先，通過高分辨質(zhì)譜（HRMS）實驗證實了葉立德-路易斯酸加合物7以及前手性四元復(fù)合物I的存在。其次，電子順磁共振（EPR）實驗證實了β-酮酯與鎂催化劑間的配體交換，對于電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的形成至關(guān)重要；并且通過UV-Vis光譜顯示的紅移現(xiàn)象，證明前手性四元電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的形成。最后，通過自由基抑制和捕獲實驗，證實了反應(yīng)過程中產(chǎn)生了兩種不同的自由基中間體；利用N-氨基吡啶鹽5和烯醇鈉鹽6代替模板底物的控制實驗和交叉實驗，揭示了將兩種不同自由基穩(wěn)定在手性鎂配位球內(nèi)是實現(xiàn)高立體選擇性的關(guān)鍵。線性效應(yīng)實驗表明，僅涉及單分子催化劑參與的立體控制的成鍵步驟。

Figure 2. Mechanistic studies.（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

密度泛函理論（DFT）計算表明，反應(yīng)的對映選擇性決定步驟將通過TSR過渡態(tài)實現(xiàn)對映匯聚式RCC，其預(yù)測的產(chǎn)物絕對構(gòu)型與實驗結(jié)果一致?；谝陨蠙C理驗證實驗和理論計算，作者提出了可能的反應(yīng)途徑。首先，葉立德-路易斯酸加合物7與β-酮酯2b發(fā)生配體交換，形成前手性四元電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物I。其次，該復(fù)合物被光激發(fā)達到激發(fā)態(tài)I*，引發(fā)電荷分離，生成的自由基中間體II隨后進行對映匯聚式RCC，形成中間體(R)-III。最后，中間體(R)-III進行質(zhì)子化去金屬化反應(yīng)，釋放出手性產(chǎn)物3ab，并再生手性鎂催化劑，完成催化循環(huán)。

Figure 3. Mechanistic studies.（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

總結(jié)

綜上，蘭州大學許鵬飛教授課題組基于先前通過光氧化還原催化合成含氮雜環(huán)類化合物的工作基礎(chǔ)1-3，開發(fā)了一種手性鎂配合物介導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移光催化的對映匯聚式自由基-自由基交叉偶聯(lián)反應(yīng)新策略，實現(xiàn)了β-酮酯的不對稱α-酰胺化反應(yīng)。該策略的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下三個方面：

1. 催化機制：利用雙重配位作用形成有序前手性四元電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，建立了電荷轉(zhuǎn)移和立體控制的內(nèi)球反應(yīng)機制，形成了RCC反應(yīng)中交叉選擇性和對映選擇性控制的新范式。

2. 反應(yīng)體系：在該研究中，β-酮酯作為敏化劑、還原劑和自由基前體發(fā)揮三重功能作用，而N-亞氨基吡啶葉立德則同時作為氧化劑和氮中心自由基前體。利用多功能催化劑與多功能底物形成反應(yīng)體系，高效綠色的實現(xiàn)了N-中心自由基的手性控制。

3. 應(yīng)用潛力：這一開創(chuàng)性的不對稱催化體系將豐產(chǎn)金屬鎂作為高效的不對稱光化學多功能催化劑，為未來可見光驅(qū)動的新型多功能催化體系和反應(yīng)體系的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

1.Jian-Qiang Chen, Peng-Fei Xu etal., J. Org. Chem. 2017, 82, 243-249.

2. Wan-Lei Yu, Peng-Fei Xu etal., Chem. Commun.2018, 54, 1948-1951.

3. Wan-Lei Yu, Peng-Fei Xu etal., Sci. China. Chem.2021, 64, 274-280.

文獻詳情：

Lei Yan, Hui-Qing Yang, Wan-Lei Yu, Xu-Gang Zhang, and Peng-Fei Xu*, Enantioconvergent Radical?Radical Cross-Coupling via Magnesium-Mediated Charge-Transfer Photocatalysis, J. Am. Chem. Soc. 2025

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c03154

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