自由基不對稱催化領域取得重要突破

近日，南方科技大學理學院化學系講席教授劉心元團隊聯合浙江大學教授洪鑫團隊在自由基不對稱催化領域取得重要突破，相關成果發表于《科學》。

自由基是具有未成對單電子的高活性中間體，小到生命體，大到廣袤宇宙中無處不在。自1900年確定結構以來，自由基化學在合成化學、生物學、藥學以及材料學等領域中發揮了重要作用。由于自由基具有極高的活性，實現其選擇性轉化具有巨大挑戰，尤其是在高立體選擇性構建手性分子方面，已成為當前化學領域的一個重要研究方向。

自上世紀八十年代以來，自由基立體選擇性控制受到了廣泛關注，國內外化學家相繼發展了諸如有機小分子催化劑、過渡金屬催化劑、路易斯酸催化劑以及酶等多種催化手段，實現了對具有共軛穩定效應或帶有導向基團的烷基自由基不對稱轉化。

然而，活性最高的純烷基自由基的不對稱轉化四十年來仍未被攻克，成為全球頂尖化學家競相追逐的重要課題。

針對這一挑戰，自2019年起，劉心元團隊持續開展攻關工作，自主設計并研發出一類新型空間限域型催化劑。該類催化劑具有一個圓臺狀半開放式的手性口袋，其靠近催化中心的區域空間較為狹窄，遠離催化中心的區域則相對開闊。在反應過程中，底物中位阻較小的烷基優先進入催化口袋內部狹窄區域，而位阻較大的烷基則被排斥至外部較寬敞的空間。

與此同時，催化口袋邊壁上的大位阻基團還能與底物中的烷基形成多種非共價弱相互作用，這不僅有助于在一定程度上穩定高活性的純烷基中間體，也進一步提升了對兩個結構相近烷基取代基的立體識別能力。該全新的手性控制模式代表了催化劑設計領域的一次重要突破，為解決不對稱催化中長期存在的共性難題提供了可行且具有通用性的解決思路。

此外，研究團隊將該類催化劑應用于源自工業原料的碘代烷烴的自由基不對稱胺化反應中，成功實現了多種類型底物的高效不對稱胺化。值得一提的是，對于區分度極小的甲基/丙基和乙基/丙基等底物，該催化體系依然表現出優異的選擇性。

該反應還首次實現了以簡單烷烴為底物的不對稱碳–氫胺化反應，為推動烷烴這類大宗工業原料向高附加值產物的轉化奠定了堅實基礎。研究人員通過該策略快速制備的手性伯胺可高效轉化為抗癌“明星”藥物伊布替尼、降糖藥阿格列汀與曲格列汀等活性藥物成分或其關鍵中間體，為我國在藥物學前沿領域的長期自主創新發展提供有力支撐。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adu3996