中国科学技术大学精准智能化学重点实验室汪义丰教授、傅尧教授和张凤莲副教授联合研究团队发展了一类手性硼自由基催化的不对称环异构化反应。在该工作中，作者设计开发了一类结构和功能全新的手性氮杂卡宾－硼自由基催化剂，并发展了硼自由基催化的不对称环化异构化反应。北京时间12月1日，国际著名学术期刊《科学》杂志在线发表了该项工作。
不对称催化是合成手性功能分子、认识手性世界的重要方式。开发结构和功能新颖的手性催化剂及其催化的不对称反应是不对称催化领域研究的重点。自由基物种含有未成对电子，其反应活性高，反应模式与离子型反应不同，在有机合成化学中发挥着日益重要的作用。利用自由基作为手性催化剂的不对称反应，在反应机制、催化模式以及官能团兼容性等方面不同于过渡金属催化、有机小分子催化和酶催化，有望为手性分子的合成提供全新的思路和策略。但是，实现该类型不对称催化极具挑战性，原因在于：1）有机自由基极其活泼，在反应中容易失活，极难构建有效的催化循环；2）大多数自由基的结构不易改造和修饰，难以对手性环境进行精细调控。
围绕上述挑战，中国科学技术大学汪义丰教授、傅尧教授和张凤莲副教授联合研究团队基于前期对有机硼自由基性能的深入研究，设计了一类结构新颖且易于修饰的手性氮杂卡宾-硼自由基催化剂，并利用其对不饱和烃加成可逆性的原理，发展了一类反应机制和催化循环全新的不对称环异构化反应。该类手性硼自由基前体制备简单、结构丰富、易于修饰，为反应的手性调控提供了基础。手性硼自由基表现出优秀的催化功能，通过对炔烃的选择性加成、氢原子转移、分子内环化和消除四个基元步骤，构建了硼自由基催化循环。在自由基环化步骤，氮杂卡宾上的手性组分建立手性环境，控制了自由基中间体的对映选择性。
此外，该研究团队通过量子化学计算、电子顺磁共振（EPR）光谱、氘代标记实验等多种手段，阐释了催化反应机理和立体选择性来源，实现了对催化过程的精准调控，为未来基于人工智能的催化剂精准设计奠定了理论基础。
该工作不仅首次展现了硼自由基催化不对称合成的强大功能，而且也将启发和推动其他主族元素自由基催化剂及其不对称催化反应的发展，为手性功能分子的合成提供全新的设计思路和催化模式。
图注：手性氮杂环卡宾-硼自由基的开发及其在不对称环异构化反应中的应用
中国科学技术大学博士生王长岭、王杰和特任副研究员靳继康博士是本论文的共同第一作者。该研究获得国家自然科学基金、中国科学院和中国科学技术大学项目资助。
论文链接：DOI:10.1126/science.adg1322