多功能有机催化剂催化羰基C–C键活化反应的理论研究
目前，氮杂环卡宾（NHC）是不对称合成领域应用最广的有机小分子催化剂之一，通常被认为是扮演路易斯碱的角色。最近，科学家们报道了一系列NHC催化的C–H去质子化和C–X（杂原子）键活化反应，其中包括NHC催化羰基C–C键活化反应。在这些NHC催化羰基C–C键活化反应中，科学家们通常认为氮杂环卡宾只是作为路易斯碱去催化前期的环化反应过程，而不参与后期的羰基C–C键活化反应（即脱羧反应）。为了探索该有机催化剂在羰基C–C键活化反应阶段究竟扮演什么角色，郑州大学蓝宇教授和魏东辉教授课题组选取了最近报道的一些反应模型，并理论上提出了包括NHC/NHC·H+协同催化等多种可能模型，随后通过量子化学计算揭示了这类反应的一般机理、立体选择性的起因以及催化剂的多重角色。
如图1所示，选取的反应模型的能量上最占优势的反应路径包括以下步骤：NHC亲核进攻反应物共轭二烯醛、[1,2]-质子转移以生成Breslow中间体、氧化剂二苯醌（DQ）氧化Breslow中间体、Ca'–Cd键形成并产生两个手性碳原子、六元环和四元环的闭环过程、NHC•H+辅助的羰基C–C键活化以释放CO2、另一分子DQ抽取一个质子和两个电子、碱添加物DABCO抽取H+进而生成轴手性产物。其中，对于Ca'–Cd成键步骤，作者考虑了四个可能的反应位点，并提出可通过原子亲电指数预测环化反应的化学选择性。在对立体选择性决定步骤的AIM分析中发现，NHC催化剂和底物之间的C–H···O氢键作用是控制反应的立体选择性的决定性因素。前线分子轨道重叠模式分析表明，NHC催化剂可避免有害的肩并头重叠模式，进而能显著地降低分子内[2 + 2]环加成反应的能垒。
如图2所示，作者系统地研究了中间体M5SR、M6SR之后的羰基C–C键活化（脱羧）反应的几乎所有的可能机理，结果表明NHC·H+可作为非共价有机催化剂（NCO）去帮助二氧化碳释放。基于该有机催化剂在此类反应中的多重角色，即路易斯碱、非共价有机催化剂和氢键供体调控选择性等，作者认为NHC事实上是一个多功能有机催化剂，这与以前普遍认为的NHC在一个体系中只作为路易斯碱的认知有明显不同。随后，作者还选取多个模型来验证了NHC催化剂的不同角色和探讨了决定轴手性产生与保持的关键因素。该工作不仅能帮助人们理解NHC催化剂的真正角色，还为设计更有效的NHC催化C-X键活化策略提供了理论依据。
这一成果近期发表在ACS Catalysis上，文章的第一作者是郑州大学2018级硕士研究生张敏，通讯作者为魏东辉教授和蓝宇教授。以上工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金、国家自然科学基金、河南省高等学校青年骨干教师培养计划以及国家超级计算郑州中心的支持。
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