刘心元课题组Nature Chemistry：自由基不对称化学领域取得重要研究进展

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化学系教授刘心元课题组在不对称碳–碳键偶联领域取得了重要研究进展。研究成果近期在《自然化学》（Nature Chemistry，IF：23.193）在线发表。
       碳-碳键的构建是有机化学中一个非常核心的研究领域。在诸多合成方法中，碳–碳键偶联反应备受关注。2010年的诺贝尔化学奖即授予了三位在该领域做出杰出贡献的有机化学家。不对称碳–碳键偶联反应可以便捷构建三维手性天然产物、药物、农药和材料分子的碳骨架，并为其修饰提供高效的合成工具。
       以往的研究中，研究方向普遍集中在不对称碳（sp3）–碳（sp3）和碳（sp3）–碳（sp2）偶联反应上，而碳（sp3）–碳（sp）偶联反应却鲜有报道。然而，炔烃本身反应活性高，具有丰富多样的转化方法。这就为通过不对称碳（sp3）–碳（sp）偶联搭配相应转化，从而快速构建手性碳（sp3）–碳（sp3）和碳（sp3）–碳（sp2）键提供了可能。

        Sonogashira偶联反应是最典型的一类通过碳–碳（sp）偶联构建炔类化合物的方法。此类反应以简单易得的卤代烃和端炔为原料，不涉及偶联反应中常用的有机金属试剂或预先官能团化的试剂的使用，从而避免了可能出现的官能团兼容性问题和反应成本问题。因此，不对称Sonogashira碳（sp3）–碳（sp）偶联反应的成功实现，将为已报道的不对称碳（sp3）–碳（sp3）和碳（sp3）–碳（sp2）偶联反应提供一个绝佳的互补方法。
       基于此，刘心元课题组巧妙地设计开发了一种由一价铜与金鸡纳生物碱衍生的多齿阴离子配体组成的催化体系。此多齿阴离子配体不仅有效的提供了手性环境，更显著增强了铜中心的还原性。因此，课题组可以直接将简单易得的外消旋卤代烷烃单电子还原成非手性烷基自由基中间体，并进一步成功实现了立体汇聚式的Sonogashira碳（sp3）–碳（sp）偶联反应。此反应底物范围极为宽泛，对映体选择性非常优异（对映体过剩最高高达99%）。特别是，工业原料乙炔和丙炔都可以高效参与此转化，为将来寻求大规模工业应用提供了坚实的基础。
       另外，课题组还通过这项研究方法成功构建了一系列的天然产物、药物及药物先导化合物中的碳（sp3）–碳（sp3）和碳（sp3）–碳（sp2）键。这项工作充分展示了铜催化的自由基反应在建立立体汇聚式转化领域中的巨大潜力。
       本文的第一作者为我校2017级博士研究生董晓阳，刘心元课题组博士后张宇峰、马灿亮，研究助理教授顾强帅、王福利等为该文章的共同第一作者。刘心元为唯一通讯作者，南科大为唯一通讯单位。此外，博士后姜胜鹏，研究助理教授李忠良对该文也有重要贡献。
        课题组所有研究项目都得到了国家自然科学基金委员会、教育部特聘专家、深圳市科创委、深圳市诺贝尔奖科学家实验室等项目的大力资助。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-019-0346-2
        此外，刘心元教授已经以通讯作者身份在《德国应用化学》（Angewandte Chemie）发表了11篇文章，编辑部对其进行了专访，并介绍其研究亮点。同时，刘心元还受邀在《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）杂志上发表综述文章，系统总结课题组近年来在铜催化的自由基不对称化学方向的突破性进展。相关文章已经被接收，正在出版中。2019年6月，刘心元获中美化学教授会杰出教授奖（CAPA awards），以表彰对自由基不对称化学领域的贡献。该奖项旨在奖励在化学及化学生物学领域做出杰出贡献的华人化学家。刘心元还于2019年9月获得日本和中国台湾分别颁发的亚洲尖端有机化学会讲席奖（ACP Lecture Award），以表彰其在铜催化的自由基不对称领域的杰出贡献。


          Sonogashira偶联反应
         1975年，Sonogashira和Hagihara 报道了乙炔气或端基炔和芳卤或乙烯基卤在钯催化剂和铜（I）盐催化下的交叉偶联反应。他们通过使用一价铜盐作为共催化剂使反应在较温和的条件下反应，并提高了产率，而同时Cassar 和Heck 同时报道了此反应，但他们只使用钯催化剂，反应条件比较严苛。Sonogashira反应同时使用了钯催化剂和铜催化剂，提升了反应活性，使得反应可以在室温进行，让Sonogashira反应十分有用，尤其是芳基和烯基卤化物的炔化上。其出色的应用价值从现在仍在进行的对其反应条件的进一步优化和理解的研究中就可见一斑。经常有在钯(0)催化剂催化下端基炔和sp2，甚至sp3- 卤化物或三氟甲磺酸酯的偶联反应，不论有没有同时使用铜催化剂，都被称作“Sonogashira 反应”，尽管它们实际上不是在Sonogashira 反应的条件下进行的。目前，Sonogashira反应在取代炔烃以及大共轭炔烃的合成中得到了广泛的应用，从而在很多天然化合物，农药医药，新兴材料以及纳米分子器件的合成中起着关键的作用。反应机理：该反应的机理尚不明确，但有的研究认为它涉及到钯循环和铜循环。
         
        刘心元，南方科技大学化学系教授、博士生导师。2001年在安徽师范大学化学系获学士学位；2004年在中国科学院上海有机化学研究所与安徽师范大学联合培养获硕士学位，师从王绍武教授和朱仕正研究员；2010年在香港大学获博士学位，师从支志明院士。2010年4月至2012年9月，先后在香港大学和美国斯克普斯研究所 (The Scripps Research Institute) 从事博士后研究。2012年9月加入南方科技大学化学系，2018年1月晋升为终身正教授。曾获香港大学2009-2010年杰出研究生奖（2011）、日本化学会Distinguished Lectureship Award （2017）。入选深圳市海外高层次“孔雀计划”B类人才（2013）、国家优秀青年科学基金项目（2017）、教育部“长江学者奖励计划”青年学者项目（2017）。在自由基参与的不对称化学研究领域开展了系统的研究，独立开展工作以来，已在Science Advances、Chem、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. 等国际著名期刊上发表研究论文46篇。