為應(yīng)對稀有金屬的枯竭/價(jià)格上漲，不含金屬元素的有機(jī)催化劑作為下一代催化劑受到了廣泛關(guān)注。然而，有機(jī)催化劑難以控制具有高反應(yīng)性的涉及單個(gè)電子的自由基反應(yīng)。因此，由有機(jī)催化劑介導(dǎo)的反應(yīng)過程相當(dāng)有限。這阻礙了通過有機(jī)催化劑進(jìn)行有機(jī)合成的開發(fā)和應(yīng)用。
N-雜環(huán)卡賓作為有機(jī)催化劑的研究始于對涉及輔酶硫胺素（維生素B1）和噻唑鎓鹽的生物反應(yīng)的研究，其中烯醇中間體可促進(jìn)單電子轉(zhuǎn)移至電子受體，如脂酰胺，黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和Fe4S4，它們在氧化反應(yīng)中起重要作用?？茖W(xué)家從這一生物學(xué)現(xiàn)象中得到啟發(fā)，并合成了可以控制自由基反應(yīng)的N-雜環(huán)卡賓催化劑。然而，由于可用于這種催化反應(yīng)的底物數(shù)量的限制，只能合成窄范圍的有機(jī)化合物。這嚴(yán)重地限制了其應(yīng)用，例如在藥物開發(fā)中。
美國化學(xué)會旗下ACS Catalysis雜志報(bào)道了日本金澤大學(xué)Ohmiya教授及其同事的一項(xiàng)研究，他們設(shè)計(jì)了一種具有N-新戊基的噻唑鎓型N-雜環(huán)卡賓催化劑，該催化劑可主動控制自由基反應(yīng)，并能夠通過自由基中繼機(jī)理從脂族醛和脂族羧酸衍生物合成35種以上的大體積二烷基酮。該催化劑有望為加速藥物發(fā)現(xiàn)研究開辟道路。
迄今為止，使用常規(guī)的N-雜環(huán)卡賓催化劑進(jìn)行的自由基反應(yīng)僅可應(yīng)用于芳族醛作為催化反應(yīng)底物。此處新開發(fā)的N雜環(huán)卡賓催化劑是一種適用于芳族和脂族醛的通用催化劑，成功的關(guān)鍵在于他們發(fā)現(xiàn)，噻唑型N-雜環(huán)卡賓的N-新戊基對反應(yīng)進(jìn)程有效，而他們的研究則充分利用了有機(jī)化學(xué)和測量技術(shù)。發(fā)現(xiàn)N-新戊基的龐大體不僅有效地促進(jìn)了反應(yīng)體系中產(chǎn)生的兩種不同自由基的偶聯(lián)反應(yīng)，而且還抑制了不良的副反應(yīng)。
本催化反應(yīng)在有機(jī)化學(xué)合成中具有以下優(yōu)點(diǎn):
1）由于高反應(yīng)性自由基的參與，大分子可以成為反應(yīng)的底物。
2）該方法在廣泛的官能團(tuán)和底物方面非常出色，因?yàn)榇呋磻?yīng)可以在溫和的條件下進(jìn)行而無需用于金屬催化劑或氧化還原試劑。
因此，現(xiàn)在有可能合成超過35種龐大而復(fù)雜的二烷基酮，這在以前是非常困難的。這使得能夠由脂族醛和脂族羧酸衍生物合成具有二烷基酮主鏈的天然化合物和藥物。
在這項(xiàng)研究中，研究小組設(shè)計(jì)了一種可控制自由基反應(yīng)的新型有機(jī)催化劑，從而大大拓寬了對各種底物的適用性。這項(xiàng)研究有望加速藥物研發(fā)，因?yàn)樗軌蚝铣蛇^去幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的具有高附加值的有機(jī)化合物。從學(xué)術(shù)角度來看，該研究已經(jīng)建立了可控制自由基反應(yīng)的有機(jī)催化劑的設(shè)計(jì)指南。
