贵州大学伍星星课题组综述 | 氮杂环卡宾(NHC)立体选择性调控碳–杂原子键构筑

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研究背景

碳–杂原子键是功能材料和生物活性分子中最常见的骨架之一，其中绝大多数药物至少含有一个杂原子，例如氮、氧、硫或卤素等。通常，这些杂原子对控制或调节药物的生物活性起着重要作用。快速、简洁、高效构建碳–杂原子键一直以来备受关注，迄今，已经发展了大量直接构筑杂环化合物的方法。然而在诸多碳–杂原子键合成方法中，通过催化剂调控高立体选择性构筑碳–杂原子键仍然存在巨大挑战，开发相关合成方法对手性药物、农药和精细化学品制备具有重要意义。

自从Ukai、Breslow、Bertrand和Arduengo等人的开创性研究工作以来，氮杂环卡宾(NHC)有机催化在过去的几十年里吸引了研究工作者广泛的探索，逐步发展为与手性胺、Brønsted酸和其他有机催化剂相媲美的高效小分子催化剂。氮杂环卡宾催化的显著研究特色在于通过卡宾催化剂介导可开发一系列经典和新型的活化模式，并形成多种多样的活性NHC–中间体，从而为新型手性碳–杂原子键构筑提供丰富的合成手段。本文详细综述了关于氮杂环卡宾催化剂调控的不对称碳–杂原子键构建方法的研究进展，旨在将这些合成方法汇总起来，以启发对含手性杂原子功能分子设计与合成的新见解与新思路。

图1 氮杂环卡宾有机催化在构建不对称碳-杂原子键的应用。

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综述内容

不同类型的NHC催化反应经过一系列活化模式可形成多种多样的活性NHC中间体，这些中间体通常被分为两种类型：亲核中间体 (如Breslow中间体、高烯醇中间体) 和亲电中间体 (如酰基唑嗡和不饱和酰基唑嗡衍生物)，手性NHC催化剂通过参与反应的活性中间体对碳–杂键的形成起到良好的立体选择性控制作用。因此，在本文中贵州大学伍星星教授课题组通过以不同活性中间体的反应模式为出发点，从C–N、C–O、C–S、C–F、C–P等不同碳–杂原子键构筑分类为角度，系统总结了氮杂环卡宾有机催化在不对称碳–杂原子键形成转化中的相关研究进展。

图2 NHC活性中间体构建不对称碳-杂原子键策略。

本综述主要从以下四方面来进行具体归纳：

(1) 通过卡宾活性中间体与典型的亲电性或亲核性胺化试剂反应，或者通过NHC直接活化氮杂原子策略（包括共价键活化或Brønsted碱活化模式），高效实现了C–N键构筑的对映选择性控制；

(2) 氮杂环卡宾催化在立体选择性C–O键构建中已发展出多种高效的合成策略，例如：以含氧亲电试剂与亲核性卡宾烯醇中间体的环化反应、通过单电子转移(SET)途径实现不饱和醛的β-羟基化反应以及直接共价键活化氧原子的催化策略，分别实现了对C–O键形成反应的手性调控；

(3) 在C–S键构筑中，氮杂环卡宾催化剂可通过形成多样性的活性中间体，从而与各类亲核性或亲电性含硫试剂反应，简洁高效实现一系列的手性含硫化合物。

(4) 综述了有机卡宾催化剂调控C–B/Si、F以及C–P键构建反应，从易得的起始材料直接高效制备高价值的含Si、F或P的手性功能分子。

最后，作者详细归纳了各类反应的催化条件，提出了涉及该类反应的一般实验性指导原则：如催化剂类型，碱性强弱等。与此同时，作者也对该领域可能的发展方向，包括各类反应中催化剂参与的具体调控效应、催化剂用量优化等进行了展望。

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论文信息

Catalyst-controlled stereoselective carbon–heteroatom bond formations by N-heterocyclic carbene (NHC) organocatalysis

Yanyan Wang, Yonggui Liu, Sha Zhao, Yijie Long and Xingxing Wu

Org. Chem. Front., 2023, Advance Article

https://doi.org/10.1039/D3QO00667K

*文中图片皆来源上述文章

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通讯作者简介

伍星星 教授

贵州大学

伍星星，贵州大学绿色农药全国重点实验室教授，博士生导师，贵州大学学术学科带头人，卓越人才-科技咨询专家，欧盟“玛丽.居里”学者。2013年硕士毕业于华东师范大学化学系（导师：张俊良教授），2017年毕业于新加坡南洋理工大学化学与生物化学专业，获哲学博士学位，（导师：池永贵教授），2018年至2022年在瑞士巴塞尔大学从事博士后研究（合作导师：Prof Christof Sparr）。长期致力于发展绿色、高效不对称催化合成方法，实现了多种农药活性手性化合物库的高效构建。以第一作者/通讯作者在 Nature Catalysis, Angew. Chem. Int. Ed., Trends in Chemistry 等高水平期刊上发表论文20余篇。部分成果获2023年清原绿色农药优秀教师奖，瑞士化学会-Helvetica 2nd Prize (2023)，2017年国家留学基金委“优秀自费留学生奖学金”等。

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