开发功能独特的对映选择性合成催化剂是合成化学的一个突出而又具有挑战性的目标。
2023年11月30日，中国科学技术大学张凤莲、傅尧、汪义丰共同通讯在Science在线发表题为“Boryl radical catalysis enables asymmetric radical cycloisomerization reactions”的研究论文，该研究报道了一个手性N-杂环碳(NHC)连接的硼基自由基家族作为催化剂，可以催化不对称自由基环异构化反应。
自由基催化剂可以由易于制备的NHC-硼烷配合物生成，并且手性NHC组分的广泛可用性为立体化学控制提供了实质性的好处。机理研究支持一个由硼基自由基加成、氢原子转移、环化和消除硼基自由基催化剂组成的催化循环，其中手性NHC亚基决定了自由基环化的对映选择性。
鉴于对对映体纯手性产品作为药物和功能材料的需求不断增加，设计和发现对映体选择性催化剂一直是有机化学的一个持久目标。在过去的几十年里，在以自由基为主要中间体的催化对映选择反应的发展方面取得了很大的进展，其中各种优雅的催化方法—包括使用路易斯酸、有机催化剂、过渡金属、酶催化剂和光催化剂—已经被报道。尽管取得了这些令人兴奋的进展，但开发结构和功能上独特的手性催化剂和机制上独特的催化反应是非常可取的，但要实现这一目标仍具有挑战性。
自由基通常作为化学计量启动子或中间体参与多种反应。相比之下，使用有机自由基作为催化剂仍然有限，因为这些物种的寿命短，反应活性高，对实现有效的催化循环构成了显著的挑战。然而，它们特定的化学性质可以促进显著的分子转化，这是其他已知的催化方法不容易实现的。在这方面，一系列自由基，包括噻基自由基、锡基自由基、氮自由基、溴自由基和硼中心自由基，已被报道为环化反应的有效催化剂。然而，使用手性自由基催化剂的不对称反应仍然是一个艰巨的挑战。
手性NHC-boryl自由基催化剂催化两个循环的设计（图源自Science）
该研究报告了一种通用且高效的不对称NHC-boryl自由基催化模式的发展，该模式使不对称自由基环异构化反应能够快速组装一系列富含对映体的五元和六元杂环。催化循环通过硼基自由基加成炔烃、氢原子转移(HAT)、环化和消除硼基自由基催化剂的一系列过程进行，在此过程中，手性NHC单元创造了一个手性微环境，可以在C-C键形成环化步骤中发挥有效的立体化学控制。通过实验和计算研究阐明了反应机理和对映体选择性的来源。这种催化作用允许从简单的起始材料不对称构造有价值的手性杂环产物。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg1322