近日，南方科技大學劉心元教授團隊聯合浙江大學洪鑫教授團隊在自由基不對稱催化領域取得新進展。課題組開發了一系列大位阻陰離子 N,N,P-配體，用于銅催化未活化外消旋仲烷基碘與亞砜亞胺的不對稱胺化反應。該反應表現出廣泛的底物兼容性，涵蓋具有伯、仲或叔 α- 烷基的無環烷基碘以及環烷基碘均能產生優異的對映選擇性，這種催化方法還可應用于特定烷烴的對映選擇性 C-H 胺化。此外，利用該策略成功實現了依魯替尼的合成，并具有優異的對映選擇性。

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自由基轉化的困境與機遇

在化學的微觀世界里，碳中心自由基宛如一群充滿活力卻又難以駕馭的 “小精靈”，是一類極為重要的反應中間體 ，廣泛活躍于合成化學、生物化學甚至天體化學體系之中。然而，這些 “小精靈” 雖充滿潛力，卻也帶來了巨大的挑戰。它們的化學性質極為活潑，壽命極短，轉瞬即逝，這使得對它們的精準控制成為了化學領域的一大難題。在過去的二十年里，隨著光化學、電化學和 3d 過渡金屬催化等領域的迅猛發展，自由基轉化的研究迎來了新的曙光。過渡金屬催化作為一種有力的補充手段，與光化學、電化學方法相互配合，為我們提供了一種精細調節自由基反應活性的有效工具，讓我們對自由基的調控有了更多的可能性。

Fig.(A) Achieving stereodifferentiation between two minimally different alkyl groups is a fundamental challenge in asymmetric catalysis. (B) The asymmetric functionalization of unactivated prochiral alkyl radicals with two similar a-alkyl substituents is particularly challenging owing to their high reactivity and the lack of effective interactions with chiral catalysts.

Section.02

科研背后的奇思妙想

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。

Fig. (C) Enzymatic systems efficiently differentiate between simple aliphatic groups through the formation of a well-defined chiral cavity (36).(D) We proposed a copper catalyst featuring a truncated cone-shaped chiral pocket, designed to selectively functionalize secondary alkyl radicals with two minimally different a-alkyl substituents. (E) Bulky chiral N,N,P-ligands enable copper-catalyzed asymmetric amination of unactivated prochiral secondary alkyl radicals, derived from iodide precursors, independent of functional group?Presence.

Section.03

從無到有的探索歷程

為了實現未活化前手性仲烷基自由基的不對稱胺化，研究團隊從外消旋 2 - 碘戊烷 E1 出發，他們首先嘗試使用 CuTc（10 mol%）、Mes?IBF? 、Cs?CO?和多種單齒至三齒配體（L1–L4），在20℃熱條件下進行反應 。然而，產物幾乎不發生轉化或對映選擇性極差（ee < 30%） 。經過深入分析，團隊發現問題的關鍵在于催化劑在非極性溶劑中的溶解性差，以及配體外圍立體屏蔽不足 。受 DFT 計算表明自由基取代機制為外消旋路徑的影響，研究者們決定對配體進行修飾，巧妙地將配體磷原子上的芳基修飾為 3,5-二叔丁基苯基（L5），產率大幅提升至85%，ee也達到了 47%，同時 Cu 的溶解度也顯著提高。他們繼續對叔丁基取代基進行逐步替換，ee逐漸提升至～60% 。最終，他們成功篩得 L9（熱條件）和 L12（光條件）為最佳配體。

Fig. 2. Rationally designed ligands and reaction development.

Section.04

廣泛的底物適應性

經過不斷探索，劉心元教授團隊找到了最佳的反應條件和配體。接下來，對反應的底物范圍進行了深入而全面的拓展。在光催化和熱催化兩套精心優化的條件下，研究團隊對外消旋二級烷基碘化物與硫亞胺的反應進行了廣泛而細致的研究 。

Fig. 3. Scope of racemic unactivated alkyl iodide

Section.05

通往藥物合成的橋梁

劉心元教授團隊為進一步拓展了該催化方法的應用潛力，他們開展了非活化 C (sp3)–H 鍵的直接胺化研究。在溫和的 Mg 介導條件下，脫保護，獲得了自由 α- 手性伯胺 39 。更為關鍵的是，在這個過程中，ee沒有絲毫損失 。這種 α- 手性伯胺的骨架就像一把萬能的 “鑰匙”，存在于近 20 種已批準或在研藥物中 。比如二肽基肽酶 - 4 抑制劑阿洛格列汀、特瑞拉格列汀等，在治療糖尿病等疾病方面發揮著重要作用 。不僅如此，它還可以經簡單官能化轉化為 α- 手性肼 40，而 α- 手性肼 40 是 抗白血病藥 ibrutinib 的關鍵中間體 。這一系列的轉化過程，充分展示了此方法在藥物合成中的巨大實用價值 ，為新藥的研發和生產提供了一條全新的、高效的途徑。

Fig. 4. Asymmetric radical C–H amination of an alkane substrate and synthetic transformations.

Section.06

反應機理的深度揭秘

劉心元教授團隊和洪鑫教授團隊結合密度泛函理論（DFT）計算，分別在熱催化和光催化條件下對自由基物種進行了對照實驗 。基于這些實驗和計算結果，研究團隊提出該催化體系中未活化前手性烷基自由基的對映控制源于最初假設的明確截錐形口袋 。在這個截錐形口袋里，受限的空間就像一個嚴格的 “篩選器”，產生強烈的體積排阻效應，將較小的烷基基團定位在擁擠的內部區域，而較大的基團則被推向外側 。這些發現不僅揭示了反應的內在機制，也為未來設計更加高效的催化劑提供了理論指導。

綜上，課題組開發了一種基于銅和手性陰離子 N,N,P - 配體催化劑的平臺，能夠實現未活化前手性仲烷基自由基的高度不對稱胺化。實現兩個烷基基團之間有效對映區分的關鍵在于精心設計的手性配體，其創造了一個受限環境。相應的不對稱 C-H 胺化的成功為此領域的未來發展奠定了初步基礎，并為引入其他自由基前體開辟了道路。該策略將為未來涉及更復雜未活化前手性烷基自由基和多種親核試劑的不對稱反應鋪平道路。

南科大劉心元教授新型手性陰離子 N,N,P-配體

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adu3996

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