文档介绍：项目名称:
手性催化的重要科学基础
首席科学家:
丁奎岭中国科学院上海有机化学研究所
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
上海市科委
一、研究内容
本项目结合国家经济建设和社会发展重大战略需求,特别是针对我国手性药物、农药、精细化学品以及材料等相关领域的可持续发展问题,从合成化学中的手性催化这一具有重大挑战性基础科学问题和前沿研究方向入手,突出源头创新,围绕手性催化的效率和选择性等核心问题,设计和发展新型手性催化体系,提出发展手性催化剂的新概念和新方法,利用化学、物理和理论计算等方法揭示反应历程,探索催化过程中手性传递、诱导与放大的科学规律,从化学角度为认识自然界手性均一性成因提供科学依据,为光学活性手性物质的制备提供先进方法学,为我国手性医药、农药和手性功能材料等方面的发展提供科学基础和技术支撑。
根据项目的上述总体设想,围绕手性催化过程中手性诱导、传递和放大的规律性探索,拟重点解决以下重要科学问题,并提出相应的解决策略:
手性催化的立体选择性问题:通过探索催化剂对底物分子作用的模式,认识配体和催化剂的电子和立体效应的影响规律;
手性催化的效率问题:通过深入认识催化剂的活化、毒化的内在机制和外部环境因素;
催化剂结构的创新性问题:通过探索和总结配体的骨架、配位原子、中心金属以及底物等的立体、电子效应对手性诱导影响的规律;
受限环境中手性诱导的规律性问题:通过探索环境的尺寸、形状效应以及催化剂的孔道限阈作用、催化剂—底物之间的氢键、电荷转移、π-π堆积等弱相互作用对手性诱导影响的规律;
手性诱导过程中多因素控制的复杂性问题:通过综合上述科学规律的认识,探索综合运用多中心活化、多手征因素控制和微环境效应,提出新概念、发展新方法,指导手性催化剂的设计。

为解决上述科学问题和实现本项目提出的科学目标,在研究过程中,我们将重视课题组人员和科学研究内容之间的相互交叉,紧紧围绕手性催化的选择性和效率问题,以发展新型手性配体、新型催化剂和催化新反应为切入点,加强均相手性催化与多相手性催化研究的交叉与合作,同时在研究内容中将特别重视催化过程中手性传递、诱导与放大的科学规律探索和总结,在研究方法上注重实验与理论结合,并尝试以新的思路和策略,注重新概念、新方法的提升以及在研究工作中对催化剂设计的指导作用,以期实现在原理、概念和方法层次上的创新,同时运用项目发展的新型手性催化剂、催化新反应、新概念和新方法等进行重要生理活性手性化合物和手性药物关键中间体的合成。因此本项目的研究内容将从发展新型手性催化剂、手性催化新反应→手性催化中手性诱导、传递和放大的科学规律认识→手性催化中的新概念、新方法的提出→新型催化剂、催化新反应、新方法、新概念的应用等四个层次展开,重点开展以下研究工作:
新型手性配体和手性催化剂是手性催化研究中永恒的主题,手性催化合成领域的每一次突破性进展总是与新型手性配体及其催化剂的发现密切相关,尽管已经开发了成百上千的优秀配体和催化剂,但没有任何一种配体或催化剂是通用的,并且其中一些优秀的、有应用前景的催化剂都已经被专利保护,它们的工业应用因此受到了很大限制,所以化学
家需要不断地探索设计和发现性能更优异的新型配体和催化剂。实现“手性配体—金属—底物”之间立体、电子效应的完美匹配是实现一个催化反应高选择性和高效率的关键。作为本项目的主要研究内容之一,将围绕开拓新型手性配体和新型手性催化剂(包括有机小分子手性催化剂)体系这一主题,开展具有全新骨架的新型手性配体和催化剂(包括有机小分子手性催化剂)的设计与合成、催化活性与选择性评价、配体和催化剂的刚性、电性和立体效应、活化官能团等对催化反应影响的规律性探索研究,发展新型、高效手性催化剂,实现催化剂电子、立体效应对反应化学、区域和立体选择性的调控,以解决运用现有配体和催化剂所不能实现的一些催化反应或者所不能达到高选择性和高效率问题,争取发展若干具有自主知识产权、在国际上有较大影响力的新一代手性配体和催化剂(包括有机小分子手性催化剂)体系。
在上述新型手性催化剂设计、合成的基础上,发展与新型手性催化剂相匹配的手性催化反应新体系是本项目研究的另一重要内容。首先,手性过渡金属络合物特别是手性Lewis酸催化的不对称反应的效率,一直是制约其应用的瓶颈问题;另一方面,与手性催化氢化和氧化反应的巨大成功相比,对于催化不对称碳-碳键和碳-杂原子键形成反应的研究还有很多挑战性的问题没有解决,一方面由于涉及反应类型和机理的多样性,同时催化反应的低效率同样也是瓶颈问题;对于有机小分子手性催化,催化效率较低、反应类型有限等问题也是制约领域发展的瓶颈问题。因此发展新型、高效的不对称催化新反应仍是一项十分具有挑战性的工作。这方面的研究内容包括:重点围