近日，浙江师范大学化学与材料科学学院邓卫平团队的青年教师郑汉良博士在手性三价碘催化的去芳构化反应机理研究中取得重要研究进展，相关成果以题为“Catalyst-Substrate Helical Character Matching Determines the Enantioselectivity in the Ishihara-type Iodoarenes Catalyzed Asymmetric Kita-dearomative Spirolactonization”的研究论文发表在Journal of the American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc. 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c13295)上。J. Am. Chem. Soc.是当前国际化学领域最具影响力的综合性刊物之一，最新影响因子为16.4。
在自然界中，酶的“柔性”被认为是其实现高选择性的重要因素之一，基于酶的“柔性”所提出的诱导-契合模型（induced-fit model）或构象选择模型（conformational selection model）已被广泛接受。然而与自然界不同的是，在立体选择性的化学反应中则常引入“刚性”以实现选择性诱导。这是由于“刚性”因素通常以位阻效应直接作用于底物，其控制模式更加直接与直观，因此引入“刚性”的设计理念一度成为配体与催化剂设计中的主流。近年来，一些柔性催化剂的发展则突破了“刚性”设计理念的桎梏，Ishihara柔性芳基碘催化剂是其中最具代表性的例子之一，该类催化剂在不对称羰基a-官能团化、烯烃双官能团化、苯酚去芳构化反应中发挥了重要作用。然而，对于这类柔性的催化剂，其选择性控制模型仍未得到较好的理解，显著限制了对这类“柔性”催化剂的认识与进一步改造设计。为此，郑汉良博士通过密度泛函理论计算与实验结合详细研究了第一代Ishihara柔性芳基碘催化的苯酚去芳构化的反应机理与手性控制模型。
长久以来，高价碘介导的苯酚去芳构化的反应机理存在着争议。从宏观上，反应机理可以分为三类：缔合机理（associative pathway）、解离机理（dissociative pathway）和自由基机理（radical pathway），但是解离机理或自由基机理中产生的游离酚氧鎓离子或者酚氧自由基无法实现立体选择性的去芳构化历程，反应只有经历缔合机理才有望实现不对称去芳构化反应。以第一代Ishihara柔性芳基碘催化的苯酚去芳构化反应为例，对于缔合机理的具体历程，文献又报道了以下三种机理（Path A~C）。郑汉良博士通过理论计算发现，文献中所提出的三种机理反应能垒都较高（> 25.0 kcal mol-1），无法较好地解释反应现象。经过细致的分析与探索，郑汉良博士揭示了一种全新的苯酚去芳构化反应机制：质子迁移耦合的去芳构化（proton-transfer coupled dearomatization, PTCD）机理。该机理表明底物羧基向高价碘配体的质子迁移对于促进反应至关重要，其能够同时增强芳基碘的离核性与羧酸的亲核性，从而显著降低反应能垒。
针对反应的手性控制模型，郑汉良博士从天然酶的选择性控制模型获得灵感，提出了一种基于“形状契合”的手性控制模型：螺旋手性匹配模型。该模型认为选择性决定过渡态中底物折叠形成的螺手性与催化剂折叠形成的螺旋手性的契合是诱导选择性的根本原因。在“匹配”的过渡态中，底物更“适应”手性口袋，从而与催化剂之间产生更强的弱相互作用，如p-p堆积作用和NH---O氢键作用等。这种基于“形状契合”的仿生催化模型的揭示革新了对柔性催化剂选择性诱导的认识，有望指导柔性催化的进一步设计与发展。
浙师大化材学院郑汉良与上海有机所蔡刘为该论文的共同第一作者，上海有机所薛小松研究员为论文通讯作者，名古屋大学Muhammet Uyanik和Kazuaki Ishihara教授共同指导了该工作。浙江师范大学为论文第一完成单位，该工作得到国家自然科学基金和浙江师范大学科研启动经费的支持。
编辑：姜雯静
