目前，氮雜環卡賓（NHC）是不對稱合成領域應用最廣的有機小分子催化劑之一，通常被認為是扮演路易斯堿的角色。最近，科學家們報道了一系列NHC催化的C–H去質子化和C–X（雜原子）鍵活化反應，其中包括NHC催化羰基C–C鍵活化反應。在這些NHC催化羰基C–C鍵活化反應中，科學家們通常認為氮雜環卡賓只是作為路易斯堿去催化前期的環化反應過程，而不參與后期的羰基C–C鍵活化反應（即脫羧反應）。為了探索該有機催化劑在羰基C–C鍵活化反應階段究竟扮演什么角色，鄭州大學藍宇教授和魏東輝教授課題組選取了最近報道的一些反應模型，并理論上提出了包括NHC/NHC·H+協同催化等多種可能模型，隨后通過量子化學計算揭示了這類反應的一般機理、立體選擇性的起因以及催化劑的多重角色。
如圖1所示，選取的反應模型的能量上最占優勢的反應路徑包括以下步驟：NHC親核進攻反應物共軛二烯醛、[1,2]-質子轉移以生成Breslow中間體、氧化劑二苯醌（DQ）氧化Breslow中間體、Ca'–Cd鍵形成并產生兩個手性碳原子、六元環和四元環的閉環過程、NHC?H+輔助的羰基C–C鍵活化以釋放CO2、另一分子DQ抽取一個質子和兩個電子、堿添加物DABCO抽取H+進而生成軸手性產物。其中，對于Ca'–Cd成鍵步驟，作者考慮了四個可能的反應位點，并提出可通過原子親電指數預測環化反應的化學選擇性。在對立體選擇性決定步驟的AIM分析中發現，NHC催化劑和底物之間的C–H···O氫鍵作用是控制反應的立體選擇性的決定性因素。前線分子軌道重疊模式分析表明，NHC催化劑可避免有害的肩并頭重疊模式，進而能顯著地降低分子內[2 + 2]環加成反應的能壘。
如圖2所示，作者系統地研究了中間體M5SR、M6SR之后的羰基C–C鍵活化（脫羧）反應的幾乎所有的可能機理，結果表明NHC·H+可作為非共價有機催化劑（NCO）去幫助二氧化碳釋放。基于該有機催化劑在此類反應中的多重角色，即路易斯堿、非共價有機催化劑和氫鍵供體調控選擇性等，作者認為NHC事實上是一個多功能有機催化劑，這與以前普遍認為的NHC在一個體系中只作為路易斯堿的認知有明顯不同。隨后，作者還選取多個模型來驗證了NHC催化劑的不同角色和探討了決定軸手性產生與保持的關鍵因素。該工作不僅能幫助人們理解NHC催化劑的真正角色，還為設計更有效的NHC催化C-X鍵活化策略提供了理論依據。
這一成果近期發表在ACS Catalysis上，文章的第一作者是鄭州大學2018級碩士研究生張敏，通訊作者為魏東輝教授和藍宇教授。以上工作得到了國家自然科學基金優秀青年基金、國家自然科學基金、河南省高等學校青年骨干教師培養計劃以及國家超級計算鄭州中心的支持。