大环化合物通常是指由12个或者更多原子构成的环状有机化合物[1]. 自美国化学家Pedersen[2]合成冠醚至今, 大环化学已经发展了六十多年. 随着超分子化学的发展, 这些化合物因对特定底物展现出独特亲和力, 逐渐成为增强特定反应活性和选择性的有力工具[3-5]. 近年来, 冠醚、环糊精、葫芦脲和杯芳烃等大环分子因其独特的结构和分子识别特性被广泛应用于医药、生物合成、材料化学和有机合成等各个领域[6-13].
在众多应用中, 大环催化尤为引人注目. 它利用大环化合物作为催化剂, 为化学反应提供了独特环境和选择性[14]. 大环化合物的空腔结构为其催化功能奠定了基础, 同时借助氢键、金属-配体配位和疏水效应等分子间相互作用, 实现了纳米尺寸分子结构的精准组装[15]. 在反应过程中, 空腔可以增加反应物的局部浓度, 从而提高碰撞频率, 加速反应速率; 同时, 空腔还可以封装底物, 避免其受到外界活性物质的攻击, 从而抑制副反应的发生[16]. 此外, 大环化合物还可以通过配位活化、微环境调控、过渡态稳定和协同催化等催化方式来实现催化效果[17-20]. 这些催化方式使得大环催化剂在有机合成、环境化学及生物催化等多方面表现出优异的催化活性和选择性. 例如, 王其强团队[21-22]受到冠醚结合阳离子的启发, 提出了大环抗衡阴离子捕获催化策略. 该策略通过大环化合物结合外源酸的抗衡阴离子, 诱导形成仿酶催化口袋, 提供独特的手性空腔. 借助氢键介导的离子对和其他多重弱作用的协同, 实现了精准的手性控制. 这不仅显著提升了反应速率, 还实现了高效的手性诱导, 为开发新型高效催化剂提供了重要的理论和实验基础.
手性有机催化剂是当前有机化学领域的前沿课题, 其合成与应用备受关注. 手性大环化合物能够有效区分一对对映异构体, 并优先与其中一种构型结合形成主客体复合物, 从而有助于实现高选择性的不对称催化[23-24]. 手性大环催化剂可以根据手性元素分为中心手性、平面手性、轴手性和螺旋手性[25]. 中心手性可通过在合成后引入手性碳取代基来实现, 但目前最常用的策略是使用手性桥连单元, 以确保结构的稳定性[26]. 桥连单元的选择不仅影响手性大环的形状和构象, 还影响手性转移和所得组装体的性质, 其中, 反式-1,2-环己二胺具有C2对称性和刚性环己烷骨架, 常被用作合成手性大环的结构单元[27]. 如刘鸣华团队[26]使用手性反式-1,2-环己二胺作为顶点, 合成了手性三角形大环; 同时, 以非手性二醛官能化的芘作为侧壁, 赋予了该化合物构象上的平面手性, 形成了一个新颖的双重立体大环, 此类手性三角形大环化合物具备潜在的催化能力[28]. 平面手性是指分子或结构单元在平面上的非对称排列, 导致分子具有手性特征, 这一概念已经被提出并得到了广泛应用和发展[29]. 近年来, 研究人员通过引入交叉连接的烷烃链(ansa链)结构以增加分子的刚性和稳定性[29-32]、基于反式保留模式的不对称高阶偶极环化[33]等多种策略合成了平面手性大环[34,35]. 如赵常贵团队[36]研究了N-杂环卡宾(NHC)催化立体选择性大环内酯化反应, 使用具有13至15元氧或N-Ts连接的ansa链的底物进行大环内酯化, 以良好的产率和对映选择性得到了平面手性大环. 此外, 陈志敏和薛小松团队[37]通过手性路易斯碱催化不对称亲电硫代反应, 构建了由芳香环和合适的ansa链组成的平面手性含硫环蕃. 轴手性大环也是一个研究热点, 它主要继承自其轴向手性结构单元, 如取代的联烯、亚烷基环烷烃、联芳基、螺烷、联萘酚和金刚烷型结构等, 特别是联萘酚(BINOL)骨架, 由于其稳定的手性构型、易于修饰和商业可用性, 成为了最具代表性的轴向结构单元之一[25,38-40]. 基于BINOL的大环由于其较大的尺寸, 天然具备深穴芳香性空腔, 能够为底物提供手性环境, 并且通过其芳香性和共轭体系促进底物的活化和中间体的稳定, 实现了对疏水客体的高亲和力和对映选择性识别, 在超分子不对称催化领域都有重要的研究和应用的价值[15,41-42]. 此外, 螺手性大环化合物其手性来源于分子的螺旋形状, 而非传统的手性中心. 这种螺旋结构使得分子在三维空间中呈现出手性特征[43]. 在对苝酰亚胺大环的研究中[44], Würthner团队提出了高度扭曲的苝双酰亚胺环蕃[45], 通过稳定的过渡态加速反应速率, 借助π-π堆积实现催化作用, 在[5]螺烯对映异构化和不对称胺化反应中展示了优异的催化性能[45]. 此研究为开发高效手性催化剂提供了坚实的基础.
近年来, 手性大环化合物的催化作用展现出活跃的发展态势, 并出现了一些新的手性催化结构, 它们的开发为不对称合成领域带来了新的机遇. 鉴于超分子催化领域的研究日益丰富, 本文深入探讨了手性大环催化剂凭借其独特的催化性能, 在不对称催化中展现出的应用潜力.
1 手性大环化合物的结构特点、催化机制及其应用
手性大环催化剂是一类具有特定三维手性空腔结构的大环化合物, 它们凭借其独特的结构特性与多功能协同作用, 增加底物-催化剂相互作用, 在不对称催化领域展现出显著优势. 它们可通过主客体相互作用精准预组织底物, 稳定过渡态, 显著降低反应活化能, 从而实现高对映选择性, 获得较高的对映体过量(ee)值. 此外, 结构的高度可调性赋予催化剂多维度定制能力, 如环糊精羟基的可控修饰、柱芳烃侧臂的动态延伸策略, 能够精准调控催化空腔的尺寸和电子特性. 而这些催化体系的可回收性与环境兼容性进一步凸显其可持续化学潜力(图1). 接下来本节将从结构特点、催化机制及应用三方面对手性大环催化剂展开分析.
1.1 手性冠醚
手性冠醚大环催化剂是一类具有手性结构的冠醚化合物, 能够通过其独特的空腔结构和多重络合位点实现高效的催化反应. 其中最显著的特点之一是能够与无机或有机阳离子络合, 如碱金属离子、铵和吡啶鎓, 这也是冠醚在催化不对称合成反应的原理之一[46-49]. 基于此, 各种手性冠醚作为阳离子, 结合相转移催化剂被开发出来, 并在不对称催化中展现出优异的性能. 佟硕和王梅祥团队[50]开发了一种高效、对映选择性的手性氮杂冠醚合成策略, 通过手性磷酸的催化, 在温和条件下实现了对称的N-芳基化氮杂冠醚的去对称化, 生成了新的四氢喹啉稠合氮杂冠醚. 此外, Bernhard团队[51]通过铑催化的双联烯化合物和二胺类化合物的氢胺化反应合成冠醚, 成功克服了控制区域选择性的挑战, 并将其发展为合成多种大环手性冠醚的有效策略.
在过去的几十年里, 手性冠醚在不对称相转移催化领域取得了显著进展, 成功开发出了多种结构明确的手性冠醚[47,52-54], 用于实现反应的高对映选择性. 如Tőke团队[55]开发了手性糖基冠醚1(图2), 作为一类以糖基为结构单元的冠醚化合物, 结构中引入的糖基会引起不对称诱导, 可以增强其手性特征和催化性能, 而化学产率和对映选择性都取决于催化剂的取代基(R1和R2). 这类手性冠醚可以催化苯乙酸甲酯与丙烯酸甲酯的迈克尔(Michael)加成反应, 且糖单元上完全烷基化的冠醚可以产生很好的不对称诱导效应(如R1, R2=OBu), 产率可高达100%, ee值可达84%. 随后, Heidelberg团队[56]研究发现, 糖基修饰的冠醚增加了对较小钠离子的选择性, 基于冠醚对阳离子表现出尺寸特异性选择性, 相对于糖基修饰的冠-6、冠-7类冠醚, 冠-5类冠醚具有更好的离子选择性. 并且由于其对阳离子络合的亲和力, 糖基修饰的冠醚在合适大小的阳离子存在下表现出较高的溶解度, 为糖基冠醚的研究奠定了坚实的基础.
Tőke团队[57]在冠醚结构的基础上进行了进一步探索和改进, 设计出含有葡萄糖单元的手性单氮杂冠醚2(图3), 能够高效催化2-硝基丙烷与查尔酮的对映选择性Michael加成反应, 获得了90% ee值的S-对映体. 通过改变2结构中糖基的立体化学、侧臂和保护基团, 可生成一系列具有较高不对称诱导效应的手性冠醚大环[47]. Bakó团队[58]构建了冠醚与α-D-吡喃葡萄糖苷3a或吡喃甘露糖苷4稠合形成的手性套索醚(图4), 作为相转移催化剂应用于查尔酮及其类似物与叔丁基过氧化氢的环氧化反应. 它的单糖单元对于产物环氧酮的构型至关重要, 基于葡萄糖的冠醚3催化剂主要促进形成具有负比旋光度的对映体, 而基于甘露糖的冠醚4则增强了具有正比旋光度的对映体的形成. 查尔酮芳环上取代基的位置对化学产率和ee值都有影响, α-叔丁基和β-芳基的查尔酮获得的产物具有最大ee值(90%). 基于类似的机理, 该团队设计上述糖基冠醚3/4用于催化氯乙酰基呋喃或氯乙酰基噻吩与芳族醛的不对称Darzens缩合反应[59], 具有良好的对映选择性(高达86% ee值), 以及催化α,β-烯酮与N-甲基吡咯单元的环氧化反应, ee值可达81%.
基于D-吡喃葡萄糖苷、D-甘露糖苷、D-吡喃半乳糖苷等糖基的套索醚在冠环的氮原子上具有各种侧臂, 如形成了具有羟丙基、甲氧基丙基、甲氧基乙基和(二苯基膦基)丁基等侧臂的N-枢轴套索氮杂冠醚, 有助于使络合的阳离子更接近手性大环, 从而对相关的反应抗衡阴离子产生更有效的不对称诱导[47]. 此外, 基于大环侧臂的协同性, 这类化合物表现出独特的客体特异性. 在丙烯腈加成反应中, 使用N-(二苯基亚甲基)保护的β-氨基膦酸酯作为亲核试剂, 采用含有一系列侧臂的手性套索醚作为大环催化剂[47,60-61]. Bako团队[60]研究发现, 在侧臂一定距离处(5~6个原子)存在一个氧原子对于高选择性是必不可少的, 这是通过为阳离子提供三维结合位点来实现的, 并与套索醚和钠离子之间相互作用的强度与立体选择性相关. 因此, 相比于没有侧臂或具有羟丙基侧臂的手性套索醚, 含有甲氧基化苯乙基侧臂的手性套索醚3d(图4)催化能够实现高立体选择性(ee值高达96%), 从而获得更纯净的产物. 此外, Rapi团队[62]也合成了含有不同侧臂的新型甘露糖基套索醚, 并将其应用于环丙烷化反应的催化.
该团队还合成了一系列新的α-和β-D-吡喃半乳糖苷手性套索醚5(图4)[63], 一般通过在吡喃半乳糖苷衍生物的羟基上构建冠醚结构制备而成. 他们发现半乳糖单元的C1的构型对选择性是决定性的, β构型的催化剂(5b~5g)在不对称诱导方面都优于α构型(5a)的催化剂, 其中具有β-1-OPh取代基的套索醚(5e)被证明是选择性方面的最佳催化剂. 因此, 在β-D-吡喃半乳糖苷基冠醚催化剂的作用下, 亚苄基丙二腈和2-亚苄基-1,3-茚二酮与溴丙二酸二乙酯的环丙烷化反应展现出优异的对映选择性, 分别为86%和96%. 此外, 该团队[64]研究发现新型L-苏丁醇基套索醚作为催化剂, 也具有良好的对映选择性. 其中带有羟丙基侧臂的苏丁醇基套索醚在乙酰氨基丙二酸二乙酯与β-硝基苯乙烯的不对称Michael加成反应中也取得了显著成就, 得到产物产率为68%, ee值为89%.
最近, 范青华团队[65]设计了一种冠醚侧臂修饰的钯-手性二胺催化体系, 用于不对称铃木-宫浦偶联反应. 研究者通过还原胺化或不对称氢化反应构建了溴化手性二胺, 并通过钯催化铃木偶联反应高产率地制备了带有不同冠醚侧臂的手性二胺配体. 这些配体与碱金属阳离子的主客体相互作用, 可参与构筑钯中心附近的可调手性微环境. 该体系结合了刚性主链和柔性侧臂的优点, 通过多重弱相互作用增强了手性诱导, 在合成多种轴手性联芳基化合物时表现出高对映选择性和优异的反应活性. 通过调整配体结构、底物取代基和反应条件, 实现了高产率和高对映选择性的合成. 功能化底物的引入进一步拓展了该方法的应用范围, 为合成更有价值的手性联芳基产品提供了新策略.
为了避免依赖昂贵的金属催化剂, 研究者们致力于开发有机催化剂, 如联萘酚衍生物. 这类手性BINOL具有优异的催化活性, 其衍生物引入强吸电子基团(如磺酸基、硝基和三氟甲基)或形成缺电子配位中心(如磷酸酯、硼酸酯)时, 会赋予其缺电子性质, 从而显著提高反应的对映选择性. 早期, Cram团队[66]构建了有适当大小空腔的BINOL修饰的冠醚, 形成了有空间位阻并有定位结合位点的C2对称性空腔, 以确保只有特定的客体化合物能够与主体化合物形成相互作用. 1980年, 该团队[67]将其成功应用于固液条件下的对映选择性Michael加成反应(图5). 其中联萘可以起到屏障作用, 防止受体攻击屏蔽较强的前手性面[47,68]. 该手性冠醚通过与钾离子络合, 能够高效催化α-酮酯与甲基乙烯基酮, 以及苯乙酸酯与丙烯酸甲酯的Michael加成反应, 产物的ee值可达60%至99%. 类似的, Shibata团队[69]研究的碘取代的BINOL修饰的C2对称的手性冠醚可以有效地催化氟离子引发剂Ruppert-Prakash试剂和氢氧化钾对醛和甲基酮进行三氟甲基化反应.
在后续的研究中, Roithová团队[70]通过Cu(II)催化的萘酚衍生物的交叉偶联合成了3,3'-双(氮杂冠醚)取代的联萘酚. 在此基础上, 李世军等[71]合成了氮杂冠醚衍生的手性联萘酚催化剂(图6), 用于催化烯基硼酸与烷基烯酮的共轭加成. 氮杂冠醚通过与烯基硼酸的相互作用参与反应, 因为二者之间存在氢键, 冠醚和底物之间的氢键在促进该催化反应中起重要作用. 在反应过程中, 硼化催化剂中间体与烯酮反应形成两性离子配合物, 随后的分子内加成将该配合物转化为烯醇硼, 最终裂解释放出产物并回收催化剂. 然而, 加入碱金属离子进行主客体络合并不能进一步提高催化效率, 因为碱金属阳离子的引入干扰了催化剂与反应物的结合. 总之, 在BINOL催化剂中引入两个氮杂冠醚可以有效地催化烯基硼酸与α,β-不饱和酮的不对称Michael加成反应, 生成一系列手性γ,δ-不饱和酮, 明显提高了对映选择性(81%~95% ee值), 为烯基硼酸与非杂芳基和烷基烯酮的共轭加成的挑战做出贡献.
此外, 使用基于冠醚的主客体化学来调节手性催化剂以实现高对映选择性仍然是一个巨大的挑战, 手性磷酸作为一类有效的不对称催化的有机催化剂, 展现了显著的催化活性, 因此, 在冠醚中引入手性磷酸的催化剂可以显著改善这一问题. 该团队[72]使用(S)-()-2,2'-双(甲氧基甲氧基)-1,1'-二萘作为反应物生成了3,3'-双(氮杂冠醚)-衍生的手性磷酸9作为催化剂(图7), 研究了结合冠醚主客体化学和手性磷酸介导的催化体系, 成功实现了具有优异产率(95%~99%)和对映选择性(91%~99% ee值)的超分子调控的不对称双组分串联缩醛化反应. 他们发现加入LiPF6可以显著提高催化活性, 缩短反应时间, 同时保持99%的高对映选择性, 与没有主客体相互作用的催化反应相比, 加入碱金属客体后, 产率提高了72%, 对映选择性提高了13%. 此现象归因于 Li＋与氮杂冠醚之间的络合作用, 该作用不仅显著提升了催化效率, 而且证实碱金属离子的引入能够同步增强反应产率和对映选择性. 这一结果强调了冠醚引入及其与碱金属阳离子络合在提升催化剂活性和对映选择性方面的重要性. 此系列研究为不对称催化提供了新的高效工具, 并展示了冠醚在提升催化剂性能方面的潜力.
手性二膦酰亚胺配体也是氮杂冠醚的重要衍生物, 广泛用于不对称催化. Vidal-Ferran团队[73]开发了结合在冠醚框架中的联苯骨架手性二膦配体, 吴静和李世军团队[74]则报道了联吡啶基的手性双膦配体冠醚, 并成功地应用于铑催化的α-脱氢氨基酸酯的不对称氢化和铱催化的喹啉不对称氢化. 随后, 范青华团队[75]利用(S)-联苯酚衍生的氯亚磷酸酯和二氮杂冠醚的反应高产率合成了BINOL修饰的具有二氮杂冠醚基的手性二膦酰亚胺配体(图8). 化合物中的氮杂冠醚基不仅可作为碱金属阳离子的主体, 还能与过渡金属中心结合. 并且冠醚环的大小也会影响反应, 相比于较大的冠醚环, 当n=m=1或2时, 形成的较小冠醚环的配体催化不对称氢化反应获得产物的产率和ee值都约为99%, 与上文中Heidelberg团队的研究结果相似. 该手性二膦酰亚胺配体应用在铑催化的不对称氢化和氢甲酰化反应中都表现出良好的反应性(转化率高达99%)和选择性(ee值可达70%~99%). 随着新型手性二膦酰亚胺配体的不断开发和应用, 未来在不对称合成领域将有更多的突破和创新.
各种手性冠醚作为阳离子结合相转移催化剂被开发出来, 但其生成可溶性活性阴离子复合物的能力有限, 限制了反应范围. 因此, 研究者们希望开发一种协同阳离子结合催化剂, 这种催化剂具有次级阴离子结合位点, 并能在手性化合物中生成活性阴离子复合物[76]. 宋忠奎团队[77]通过用乙二醇接头连接两个3,3'-二取代-联二醇单元, 成功合成了基于手性BINOL的寡聚乙二醇新型双功能阳离子结合催化剂(图9). 通过打破手性冠醚的封闭环醚单元, 自由的末端-羟基可以通过氢键激活亲电体, 而醚氧则可以作为路易斯碱来配位金属离子, 从而在受限的手性大环中生成可溶性阴离子. 他们发现这种催化剂能够从碱金属氟化物中生成可溶性氟离子, 随后形成的氟离子复合物可以作为一种多功能手性催化剂, 用于多种不对称催化反应. 此外, 在催化不对称Strecker反应和手性亚胺的不对称合成中, 该催化剂以极少量的有机催化剂负载量实现高对映选择性催化, 且展现出高转化率. 这种协同阳离子结合催化的高效性和普适性主要归因于使用变构相互作用的酶的活性位点结构, 通过将碱金属盐嵌入催化剂的聚醚链主链中, 形成高度受限的手性大环复合物, 进一步增强了手性环境的稳定性, 以及通过氢键和离子-离子相互作用实现对反应物的协同活化. 将反应组分限制在这样的手性化合物中, 可以增强反应性, 并有效地传递立体化学信息. 综上所述, 手性冠醚大环催化剂凭借其独特的结构和优异的催化性能, 在不对称合成领域展现出了巨大的应用潜力.
1.2 手性环糊精
CD因其易于获取和优异的酶模拟性, 在水相催化领域备受关注. 基于CD骨架开发的有机催化剂不仅可实现水介质中的高效不对称催化, 还具备良好的可回收性. 程津培团队[81]提出了基于β-CD的超分子伯胺催化剂(图10), 如催化剂12. 相比于未修饰的β-CD, 经过修饰的CD展现出显著增强的催化性能、更高的立体选择性和更强的主客体结合能力. 其中CD空腔提供的疏水相互作用是形成催化剂-底物复合物的主要驱动力. 且由于边缘羟基之间存在氢键网络, CD空腔具有一定程度的刚性, 这进一步增强了其立体选择性. 被修饰的β-CD与酶催化过程非常相似, 通过疏水效应和与质子化二氨基侧链的非共价相互作用的协同作用, 选择性地结合并定位底物于空腔中. 具体来说, 首先酮类客体在CD空腔内组装, 与其侧链环己二胺形成烯胺复合物, 随后在β-CD的空腔内烯胺与醛基加成形成C—C键, 最后产物从CD空腔中释放, 催化剂得以再生, 这一过程完美模拟了酶催化机制. 因此, 该催化剂在pH=4.80的含水缓冲液中能够有效地催化醛类和酮类的不对称直接Aldol反应, 表现出高产率和立体选择性(99% ee值). 此外, Jindřich团队[82]通过铜催化的炔-叠氮环加成反应制备了全甲基化金鸡纳-β-CD衍生物13(图10), 作为催化剂可用于催化Morita-Baylis-Hillman (MBH)碳酸酯的不对称烯丙基胺化反应, 产物ee值达75%. 而未修饰的CD催化得到产物的ee值极低, 进一步证实了功能化修饰对催化性能的决定性作用. 同理, 纪红兵团队[83]制备的氨基醇修饰的β-CD衍生物能够高效诱导水相中H2O2参与的不对称反式查尔酮环氧化反应, 以及对(S)-2-氨基甲基吡咯啉修饰的β-CD衍生物可催化水相中仿生不对称Michael加成反应[84], 说明了CD结构的功能化修饰对反应体系的对映选择性有较大影响.
CD还表现出许多独特的性质, 其中手性空腔为客体分子控制区域和立体选择性提供了手性微环境[85]. CD的疏水空腔可以截留疏水分子, 改变其在水溶液中的溶解度, 控制各种化学反应的对映选择性, 这些特点使得CD经常被用作超分子手性催化剂. 例如索邦大学开发的NHC修饰环糊精用于金催化的烷氧基环化反应[86](图11), 通过其独特的非对称孔道结构实现了高对映选择性(97∶3 er), 并优化了内部环境以促进环状化合物的形成. 该催化剂还减少了立体位阻, 显著提高了反应产率, 表现出类似生物金属酶的高效催化特性. 此外, 根据最新研究, β-CD-NHC-金(I)络合物通过其独特的空腔结构实现了1,5-烯炔、烯炔醇和烯炔酯的高度对映异构化[87](图12), 并且该催化剂在多种底物上表现出优异的对映选择性(94% ee值)和90%的产率, 特别适用于烯炔基酯的环异构化反应, 通过调整取代基和反应温度, 可以进一步优化产物的选择性和产率.
此外, Armspach团队[88]克服了全甲基化CD的直接功能化难题, 依次通过Swern氧化、还原胺化、酸性条件缩合的间接合成策略, 合成了苯并咪唑鎓封端的甲基化α-CDs, 并证实其可通过多重弱氢键包合尺寸匹配的阴离子. 在此基础上, 上述苯并咪唑鎓盐可在温和条件下直接合成CD-NHC-金(I)配合物, 并对1,6-烯炔类化合物的不对称环异构化反应具有催化活性, 其中使N-烯丙基-4-甲基-N-(3-苯基丙-2-炔-1-基)苯磺酰胺的不对称环异构化反应实现了ee值为50%. 其次, 空间位阻磷烷在配位化学和催化中也起着重要作用[89], Armspach团队[90]制备了基于α-CD和β-CD的限制性手性膦配体, 其中磷原子的孤对电子均定向指向修饰的CD核心. 这类配体不仅能在络合后紧密包覆金属中心以促进手性转移, 还能将膦配位限制于单个配体, 从而显著调控区域选择性. 由[Rh(acac)(CO)2] (acac=乙酰丙酮)和1 equiv.相应的手性膦配体反应形成的CD-单膦-铑复合物, 苯乙烯在其内部空间具有立体相容性, 在催化的苯乙烯氢甲酰化反应中实现了优异的区域选择性和对映选择性(95% ee值). 这些研究为不对称催化提供了一种新的高效工具, 并展示了超分子化学在控制反应活性和选择性方面的潜力.
此外, CD催化蒽羧酸(AC)的光二聚反应也是当前的研究热点之一. 在Inoue等[94-103]的研究中, 他们发现AC的光二聚反应在CD的催化下具有四个不同的二聚体(图13中1, 2, 3, 4). 在此基础上, 杨成等[104]进一步发现了β-CD可以催化AC的光二聚反应形成anti-和syn-5,8,9',10'-HT 5和6的非经典反应路径(图13). 该反应是通过AC与β-CD形成2∶2复合物激活. 在2∶2复合物中, 填充在双β-CD胶囊中的两个AC并不完全相互重叠, 只是以滑动的反式或顺式方式部分堆叠, 因此在光激发时不会自发环化二聚化. 通过各种内部/外部因素操纵, 如温度、压力、盐和主体修饰等, 以高区域和对映选择性获得滑移的头尾(HT)环二聚体, 但不形成滑移的头-头环二聚体(HH). 此外, 相比于未修饰的β-CD, 他们发现使用阳离子β-CD主体17会使环二聚体5和6的产率和ee值更高, 并减少残留在溶液中游离的AC发生光二聚反应. 随后, 杨成团队[105]发现β-CD二聚体18也可以通过与AC形成1∶1或1∶2的复合物来加速AC的光二聚化反应(图13), 其中由两个β-CD单元通过硫原子连接形成的3Gx-3Gx复合物能使AC的光二聚反应达到98%的产率和100% ee值的对映选择性. 这是由于形成的分子胶囊能够有效限制底物自由度, 展现出最佳的立体控制性能.
然而, CD的一个显著缺点是其手性空腔难以获得高效对映选择性. 为解决这一问题, 他们[106]还设计并通过叠氮-炔烃环加成反应合成了由两个β-CD夹着一个柱[5]芳烃的三腔手性主体19(图13). 柱[5]芳烃结构中诱导的平面手性, β-CD的固有的手性空腔能够有效地容纳水溶液中的各种有机光底物[107], 且其大体积β-CDs阻止了柱[5]芳烃环单元的翻转, 利用中压反相制备色谱和非手性高效液相色谱成功分离其非对映异构体, 并通过圆二色谱确定了绝对构型, 所得到的三腔手性主体独特的手性空腔和主客体相互作用, 能够有效介导AC的光二聚反应, 生成高达87% ee值的非经典头尾环二聚体(5,8,9',10'-HT)以及常规的环二聚体, 其对映选择性受到中心对映体柱[5]芳烃的绝对构型和CD上共轭位置的显著影响. 这些研究成果为开发杂化手性主体这类新型手性催化剂提供了新的思路和方法, 展示了其在不对称催化反应中的潜在应用价值.
为了拓展光催化领域的应用, 杨成团队进一步开展了有机-无机杂化体系, 通过γ-CD的功能化修饰, 连续开发了两种新型手性光催化体系, 体现了CD衍生物在介导AC的光环二聚反应中发挥重要作用. 其一, 在可见光驱动下, 杨成团队[108]利用席夫碱Pt(II)复合物修饰的γ-CD作为催化剂, 实现了基于三重态-三重态湮灭(TTA)机制的AC对映选择性光二聚反应, 在此过程中, TTA涉及两个三重激发态分子相互作用形成单重激发态分子. 通过光激发修饰在γ-环糊精上的席夫碱Pt(II)复合物, 触发了三重态-三重态能量转移(TTET), 进而高效诱导γ-CD络合的AC发生TTA光二聚反应, 实现61%转化率, 获得syn-HT的ee值为31.4%, 相对产率为60.8%. 随后, 他们[109]通过表面硅烷化反应, 将一系列氨基-γ-CD衍生物修饰在镧系金属掺杂的上转换纳米粒子(UCNP)表面, 制备了超分子手性光催化剂UCNP-CDn, 构建了基于荧光共振能量转移(FRET)的超分子手性光催化体系(图14), 其中UCNP具有独特的发射性质、高化学和光稳定性以及可调谐的发射特性. 该体系构建了单线态手性光催化, 在980 nm激光照射下, UCNP-CDn在紫外波段发出强烈光, 通过FRET选择性地敏化与UCNP表面CD络合的光底物, 有效避免了光底物的直接激发, 并在催化量的手性主体存在下进行光二聚反应, 实现了高对映选择性光二聚反应, 获得98.8%的转化率及39.9%的ee值, 且反应选择性并未因催化剂浓度降低而下降, 即使在低催化剂用量下, 也能获得远高于直接激发反应体系的手性选择性, 循环使用至少6次之后, 不会降低其对映选择性.
CD还能够与碱金属离子结合形成一种稳定的扩展结构. 如CD能够与碱金属离子配位, 形成稳定的CD金属有机框架(CD-MOFs)[85]. 在这些结构中, 多个γ-CD单元通过金属离子连接, 形成三维的立方体结构, 由于CD-MOFs整体带正电, 其内部空腔会包裹氢氧根或氯离子以平衡电荷, 这些带负电的离子可以在框架内移动, 并且可以与其他阴离子客体进行交换. γ-CD的点手性赋予了CD-MOFs立方体空腔手性特征, 这种手性甚至可以传递给非手性客体分子. Stoddart团队[110]报道了一种由手性γ-CD单元和碱金属离子(K＋)组装而成的固态金属有机框架, 该框架被用于AC的选择性光二聚化反应(图15). CD-MOFs的通道和立方体空腔是光二聚反应得以进行的关键. 通道能够执行选择性转化, 可以通过与框架孔腔中的OH阴离子交换来包封1-蒽羧酸盐, 从而降低预组织的蒽二聚体中两个羧酸盐阴离子之间的静电排斥, 改善反应条件, 而立方体空腔则能够接收并储存产物. CD-MOFs在功能上模拟了酶的活性位点, 其独特之处在于通过纳米级结构实现了超高密度的活性位点集成, 高效选择性光二聚化, 同时避免产物抑制并维持催化循环. 此外, CD-MOFs的内在孔道结构能够容纳多种客体分子, 如气体、药物、金属团簇和纳米粒子, 因此, CD-MOFs在气体吸附与分离、高效分离、区域和立体选择性反应、催化、电化学传感、药物缓释以及手性材料等领域展现出广泛的应用前景[111].
CD凭借其独特的手性空腔、优良的水溶性、生物相容性以及分子识别能力, 在超分子催化领域展现出了广泛的应用潜力和显著的优势. 它不仅可以作为手性催化剂实现高效、高选择性的催化反应, 还能作为载体构建多功能纳米酶. CD不仅解决了传统酶催化剂的诸多局限性, 还通过与纳米材料、金属有机框架和光催化体系的结合, 拓展了其在绿色合成、手性催化、生物传感、药物缓释以及光化学等领域的应用范围. 未来, 随着对CD功能化和复合材料的深入研究, 其在超分子催化中的应用将更加多元化, 为可持续化学和生物医学领域的发展提供新的策略和工具.
1.3 手性杯芳烃
杯芳烃是由多个芳香环通过亚甲基桥连接而成的一类大环化合物, 形成一个类似杯子的三维结构. 它们在分离、传感和催化等领域有着重要的研究意义和广泛的应用前景[112-115]. 杯芳烃的手性主要分为两种类型: 固有手性和手性修饰. 固有手性是指杯芳烃通过其独特的非平面三维结构展现的手性, 源自骨架上非手性取代基的不对称排列, 而非传统的中心、轴向或平面手性[116]. 例如, 杯[4]芳烃展现出一种刚性的弯曲形状, 当其一个苯环的间位上存在一个取代基时, 该分子便展现出一种独特的手性即固有手性[117]. 手性修饰则是通过在杯芳烃的上边缘或下边缘引入手性基团来增强其手性特征. 例如, 杯[4]芳烃的空腔形成的疏水区域, 结合在上缘的L-脯氨酸部分使该基团接近空腔, 可以更好地定位底物[118]. 由于这种独特的手性结构, 固有手性杯[n]芳烃在手性识别和不对称催化中展现了广泛的应用前景[119-120].
获得手性杯芳烃方法很多[24,121-124], 其中最有效且简单的方法之一是催化对映选择性合成, 已报道的不对称催化合成手性杯芳烃的方法主要限于两种主要途径: 杯[4]芳烃大环上缘的去对称化和特定组分通过环化反应高效合成固有手性大环[125]. 陈志敏团队[126]开发了一种基于手性硫化物催化的不对称芳基亚磺酰化策略, 通过手性BINOL衍生的硫化物催化剂与六氟异丙醇协同作用, 采用杯[4]芳烃的去对称化亲电子亚磺酰化路径, 成功实现了固有手性含硫杯[4]芳烃的高效合成. 此外, 史炳锋和牛俊龙团队[122,124,127]报道了一种对映选择性钴催化的C—H活化方法, 有效构建了固有和轴手性杯[4]芳烃. 蔡泉团队[128]开发了一种钯催化的对映选择性分子内C—H芳基化方法, 以中等收率和高对映选择性合成固有手性杯[4]芳烃. 杨晓瑜团队[121]通过手性磷酸催化的Povarov反应和芳香化过程, 成功实现了固有手性杯[4]芳烃的不对称合成. 其中, 氨基取代的杯[4]芳烃参与的Povarov反应表现出高度的立体选择性, 能够有效地将前手性杯[4]芳烃底物去对称化. 随后, 通过多种芳构化方法, 该团队[117]以良好的产率和高对映选择性合成了一系列新的手性杯[4]芳烃. 此外, 刘人荣团队[129]也通过串联对映选择性环化和氧化反应高效合成固有手性杯[4]芳烃衍生物(图16), 实现了三组分环化反应的对映选择性, 具有广泛的底物范围(33个实例)、高效率(最高产率90%)和优异的对映选择性(平均>95% ee值), 获得的固有手性杯[4]芳烃具有π-扩展结构. 作为催化剂已经被应用在(E)-N-(苯并[d]噻唑-2-基)-1-苯基甲烷亚胺和异苯并二氢吡喃1,3-二酮的对映选择性[4＋2]环加成中, 表现出ee值为82%的良好立体诱导.
在有机化学中, 杂原子桥连的杯芳烃是一类重要的大环化合物, 其结构中含有类似于冠醚和杯芳烃的空腔. 这些杂原子取代了传统杯芳烃中的亚甲基桥, 形成了新一代的大环化合物[130]. 最初, 王梅祥团队[130-132]使用片段偶联法合成了各种杂原子桥联的杯芳烃, 并在环和桥联位置上进行了选择性功能化. C—N偶联被认为是有机合成中最重要的转化之一, 产生的烷基/芳基胺可作为天然产物、药物、候选药物和其他生物活性分子的基础结构[133]. 该团队[134]采用分子内对映选择性C—N偶联策略, 成功实现了对固有手性的ABCD型杂环杯[4]芳烃的高对映选择性合成. 随后, 该团队[135]报道了对映选择性去对称化反应制备固有手性杯[4]芳烃的开创性工作, 在PdBr₂和手性磷酰胺配体的催化下, 用交叉脱氢偶联策略破坏大环的对称性, 以良好的产率和对映选择性合成了含9H-芴的固有手性大环. 此外, 该团队[136]还开发了一锅法策略合成了固有手性大环, 以2,6-二氯-3-硝基吡啶与间苯二酚衍生物为原料, 在金鸡纳碱衍生的手性相转移催化剂催化下, 以良好的产率合成固有手性四氧杂环杯[2]芳烃[2]吡啶大环, 且ee值达77%. 该合成过程涉及到交叉环四聚反应, 其中关键步骤是具有对映选择性的分子内芳香亲核取代(SNAr)反应. 这项工作为快速构建Cn对称的固有手性大环提供了一种新的策略.
杯芳烃凭借其结构可修饰性展现出卓越的催化适应性. 通过引入不同功能基团可调控其在有机或水相介质中的溶解性, 而刚柔并济的骨架特征使其能够动态预组织催化活性位点. 这类大环分子可通过三维空腔精准结合底物, 并以特定空间排布协同催化基团, 显著增强多活性位点协同效应和手性诱导能力, 最终实现高选择性催化[89]. 其中杯[4]芳烃作为典型代表, 已在多组分反应及不对称Aldol/Michael等反应中取得了突破性进展[115,118,137-141]. Yilmaz团队[142]开发了一种基于L-脯氨酰胺功能化的手性杯[4]芳烃衍生物的水相高效催化体系 (图17), 通过杯[4]芳烃骨架的OH、NH、CO基团与界面水分子形成三维氢键网络, 构建了局部疏水微环境. 该体系在温和反应条件下实现了环己酮与多种芳香醛的直接对映选择性Aldol反应, 获得了ee值高达93%的产物, 其立体控制机制遵循Houk-List过渡态模型.
此外, Sharma团队[143]构建了一种基于樟脑磺酰基功能化冠醚-杯[4]芳烃结构的可回收性有机催化剂, 在不对称Strecker反应中展现出卓越性能(图18), 以高收率(高达99.9%)和高对映选择性(高达99.3% ee值)生成氰基(CN)加成产物. 其磺酰基部分通过非共价相互作用将手性转移到底物上, 冠醚摆臂作为控制不对称反应的有用工具, 增强了对映选择性. 具体而言, 其催化机制包含三重协同作用: 三甲基硅氰(TMSCN)通过在原位生成的亚胺离子协助转移至底物, 由杯[4]芳烃结构中的氢键供体OH激活亚胺引发的, 同时, TMSCN被杯芳烃冠醚和樟脑磺酰基的氧原子激活, 催化剂中富电子的氧原子与TMSCN的硅原子配位, 从而增加了CN的亲核性, 使得CN更容易攻击亚胺的硅面, 形成S-异构体产物. 该催化剂经25次循环重复使用后仍保持催化活性, 并已成功应用于抗血小板药物氯吡格雷的两步合成, 证实其工业化潜力. 他们[144]还合成了由季铵金鸡纳功能化冠醚修饰的杯[4]芳烃衍生的高效新型手性相转移催化剂, 用于甘氨酸亚胺的不对称α-烷基化, 其催化机理与上述相似. 同类催化剂在乙酰丙酮与二硝基苯乙烯的不对称Michael加成反应中应用[145], 通过催化剂-底物相互作用获得高达99%产率和ee值为99%的对映选择性. 这些研究充分展现了超分子动态调控与主客体化学融合的设计策略绿色手性合成中的广阔前景.
杯芳烃及其衍生物凭借其独特的三维刚性结构和手性特性, 在催化领域展现了广泛的应用潜力. 从固有手性杯芳烃的高效合成到其在不对称催化反应中的出色表现, 研究者们通过不断优化合成方法和反应条件, 实现了高产率和高立体选择性的催化过程.
1.4 手性柱芳烃
柱芳烃是一种新型的大环化合物, 其化学结构与杯芳烃非常相似, 但最大的区别在于柱芳烃是由对苯二酚或对苯二酚醚通过亚甲基桥在苯环的对位连接而成. 柱[n]芳烃因其独特的平面手性与主客体性质而备受关注. 其平面手性的产生依赖于分子对称性的破坏[146]. 为构建手性柱[n]芳烃可通过以下两种策略实现精准调控: 一是骨架边缘修饰策略, 通过在柱[n]芳烃外围引入大体积取代基(如叔丁基、三苯甲基等), 显著增加空间位阻以抑制苯环自由旋转, 防止潜在的构象翻转, 显著提高构型稳定性, 从而分离平面手性柱芳烃的对映体形式. 二是机械互锁组装策略, 基于柱[n]芳烃的主客体化学性质, 通过非共价相互作用以柱[n]芳烃为核心合成轮烷、链烷等机械互锁分子. 这些结构能够抑制柱[n]芳烃苯环的自由翻转, 从而生成稳定的对映体[147]. 如Ogoshi团队[148]通过将联苯基团引入到柱[6]芳烃的一个苯单元中, 获得了具有平面手性的稳定的柱[6]芳烃. 杨海波团队[149]利用不对称Sonogashira偶联反应合成了多种官能化的平面手性柱[5]芳烃. 刘人荣团队[150]创新性地发展了铃木-宫浦交叉偶联策略用于不对称延伸侧臂, 通过钯催化体系与手性Sadphos配体的协同作用, 以高产率(>90%)和优异对映选择性(最高99% ee值)实现了固有手性柱[5]芳烃的高效构建. 与去对称化策略不同, 产物在最初的交叉偶联步骤后保持非手性, 因为小取代基可以围绕单键自由旋转. 然而, 侧臂的进一步延伸增加了柱[5]芳烃两侧的空间体积, 限制了分子旋转并诱导了手性产生. 该方法展现出优异的通用性和实用性, 适用于多种芳基硼酸和2-芳基乙烯基硼酸, 为结构多样化的高对映体手性柱[5]芳烃的合成提供了高效平台. 类似的, 该团队[151]通过铜催化的不对称延伸侧臂策略来构建固有手性柱[5]芳烃, 高效合成了一系列手性三唑基柱[5]芳烃. 此外, Ogoshi团队[152-153]基于柱[5]芳烃合成了以柱[5]芳烃为轮子, 合适的长度和端基(如吡啶衍生物)为轮轴的链烷和轮烷, 通过高效液相色谱分析了它们的平面手性. 颜朝国团队[155]也做了类似研究, 合成了一系列新型的手性柱[5]芳烃二酰胺桥联的三联吡啶衍生物[154]、双酰胺桥联双柱[5]芳烃和双酰胺桥联三柱[5]芳烃等.
基于柱[5]芳烃平面手性骨架的催化剂也逐渐被开发出来, 其中一种利用手性骨架获取不对称催化剂的简单策略, 是将手性从骨架转移到连接骨架芳环与带有二有机磷基团的邻位苯基的联芳基轴上[159]. Nagata团队[159]成功合成了含环己基甲氧基侧链和二苯基膦基团的平面手性柱[5]芳烃(图19). 其中平面手性的柱[5]芳烃能够诱导双芳基部分的轴手性, 从而也可以作为手性配体. 他们通过一系列化学反应步骤, 包括羟基引入、三氟甲磺酰基转化、铃木-宫浦交叉偶联反应、P(O)Ph₂基团引入和还原, 制备了基于柱[5]芳烃的配体24. 最终, 通过手性柱分离得到了高对映纯度的手性柱芳烃. 他们研究发现, 基于平面手性柱[5]芳烃的手性磷配体[如(pR)-24和(pS)-24]在钯催化的不对称氢化硅烷化反应中表现出催化活性[159]. 尽管对映选择性较低, 但反应仍以不对称方式进行, 表明柱[5]芳烃的平面手性已转移到自由旋转的联苯部分, 成功生成了α-三氯硅烷基乙苯, 值得注意的是, 这是使用基于平面手性柱[5]芳烃的配体在过渡金属催化的不对称反应中的第一个例子, 突显了其潜在价值.
在光催化领域, 柱芳烃也可用于催化光二聚反应[163]. 在柱芳烃的两个边缘引入阳离子基团, 使柱芳烃具有水溶性, 从而通过疏水相互作用增强柱芳烃与多种有机客体形成复合物的能力. 更重要的是, 阳离子基团的存在将增强静电吸引力, 从而减少HH堆叠的AC对中羧酸根阴离子之间的静电排斥力. 因此, 修饰的柱[6]芳烃可催化蒽羧酸的光二聚反应, 并提高了HH光二聚体的产率, 通过优化反应条件, HH/HT比率可达4.97[164]. 随后, 杨成团队[106]构建了柱[5]芳烃与CD形成的三腔手性主体催化剂19, 可作为一种特殊的均相催化剂促进光二聚反应, 具有较好的产率和对映选择性. 该部分工作已在前一小节详细介绍, 这里不再赘述. 总之, 这些研究为无金属多相催化剂的设计提供了新思路.
柱[n]芳烃和环糊精等超分子的偶联以及柱[n]芳烃与其他大的基团的杂化等方法为开发新型手性大环化合物提供了丰富的可能性. 这些化合物不仅在分子识别和主客体化学中展现出独特性能, 还在催化领域表现出显著的潜力.
1.5 其他手性大环催化
手性大环化合物涵盖多种结构, 除了常见的冠醚、环糊精、杯芳烃和柱芳烃外, 还包括四氨基双硫脲手性大环化合物、手性双磷酸酯大环等新型结构. 这些新型手性大环化合物在催化领域也展现出独特的优势和应用潜力, 值得深入研究.
王其强团队[20]成功合成了一系列四氨基双硫脲手性大环化合物(图21), 其结构包含两个硫脲单元和两个手性二胺单元构成. 其中以二芳基硫脲单元作为构建组分, 是因其出色的结合和活化能力, 是良好的阴离子结合基团. 通过引入一系列手性二胺骨架作为连接物, 不仅引入了手性环境, 还为亲电试剂和亲核试剂的双重活化提供了双功能硫脲路易斯碱基位点, 实现了对大环构象和手性微环境的精确控制. 在催化含有磺酰胺头基的环状亚胺的脱羧Mannich反应中, 首先通过β-酮酸对亚胺进行Mannich加成, 随后再进行脱羧作用. 两个大环分子通过底物诱导发生非共价二聚化, 形成三明治型复合物. 其中, 磺酰胺头基嵌入在两个大环之间, 与四个硫脲单元形成了四组分叉氢键网络, 这两个大环呈交叉堆积, 使得四个硫脲能够在空间上环绕磺酰胺头基. 在这种堆积方式中, 连接有CF3的苯环可以与相邻的苯环发生π-π堆积, 同时避免了大体积CF3基团之间的位阻. 其中吸电子CF3基团的引入可以进一步增加N—H酸性和结构刚性, 从而更好地预组织[167]. 在二聚化过程中, 大环采取了扩展的构象, 并形成了一个暴露的裂缝, 酮酸底物进入其中, 然后通过叔胺位点的去质子化而被激活. 该体系成功实现了多种底物的高效转化, 报道了底物诱导的手性大环催化剂的非共价二聚组装机制, 为有机催化提供了一种有效手段[20].
除了上述研究, 王其强团队[22]还研究了一种大环驱动的反阴离子捕获策略实现了高效催化. 他们设计含S-BINOL手性单元的双胺片段与双异硫氰酸酯片段1＋1大环化反应, 顺利合成了一系列含有两个BINOL基团的双二芳基硫脲大环化合物(图22). 它们具有良好限定的手性空腔, 并对二磺酸根阴离子具有强结合亲和力, 可以与酸协同催化吲哚与亚胺的对映选择性Friedel- Crafts反应. 基于此, 他们仅用1 mol%的大环化合物与1 mol%的乙二磺酸结合就可以在吲哚与亚胺的傅-克反应中获得优异的转化率和高达99%的ee值. 这是因为通过质子化的亲电底物与洞穴状大环反阴离子复合物的紧密离子对, 实现了优异的立体控制和高催化效率. 值得注意的是, 单独的酸或大环化合物均无法提供反应性. 这种超分子方法简化了预官能化的手性3-吲哚基甲胺的合成, 甚至可以实现克级合成, 这是传统酸催化方法无法实现的, 展示了该策略在高效和选择性催化中的巨大潜力.
手性磷酸是一种广泛应用且高效的有机催化剂, 适用于多种对映选择性转化[168-174]. 在过去十年中, 它已成为不对称催化的重要工具[172,175,176]. 特别是由联萘酚衍生的手性磷酸结合了BINOL基团和手性磷酸的优点,展现出独特的催化性能[175,177,178]. 在前人对手性磷酸的研究的基础上, 手性磷酸大环化合物也逐渐出现. 通过将两个联萘酚衍生的磷酸部分以3,3'-位供价连接构建手性双磷酸酯大环. Niemeyer团队[179]发现这些大环化合物包含两个可调节的磷酸位点和一个大型手性空腔, 适用于高效对映选择性催化的喹啉类转移加氢反应. 通过BINOL衍生的双磷酸中心和不同的连接体构建, 从而调节手性磷酸之间的距离和空腔功能, 为母体手性磷酸创造了独特的手性环境, 适合更大体积的客体或反应组分. 王其强团队[180]还发现了手性双磷酸大环可被用于不对称亲电氟化反应中的催化(图23). 由于氟化剂Selectfluor是二价阳离子, 且在大多数非极性介质中不溶, 疏水性的手性磷酸阴离子可以与四氟硼酸根抗衡离子交换, 将试剂带入溶液. 形成的对映体离子对随后可以介导有机底物的不对称氟化, 因此通过使用手性双磷酸大环, 可以形成一个紧密的二元包合复合物. 它可以通过电荷互补和空腔相互作用促进相转移和氟化过程. 氟化后, 生成的去氟单阳离子可以轻易地从大环空腔中逃逸, 并且由于更有利的库仑相互作用, 可以再次被二价阳离子Selectfluor取代, 从而促进氟化催化循环.
由于Selectfluor二价阳离子的紧密离子对结合以及空腔导向的多重非共价相互作用协同作用于底物转化,使其获得了卓越的立体控制(高达91% ee值). 此外, Ishihara团队[181]开发了一种手性大环双萘酚锂盐催化剂, 用于锂乙炔基化合物和酮类化合物的对映选择性加成, 获得高反应性和高对映选择性(高达99% ee值). 该大环阻止了该反应中锂化合物的聚集, 且其手性空腔和疏水性使体系具有底物特异性, 展现出与酶反应类似的多重选择性, 这为不对称催化领域提供了新的策略和工具.
2 总结与展望
手性大环化合物, 如手性冠醚、环糊精、杯芳烃和柱芳烃等, 在超分子催化领域取得了显著的进展. 这些化合物由于其独特的空腔结构、出色的主客体相互作用以及能够提供手性微环境的特点, 在不对称催化反应中表现出了卓越的催化性能和高度的选择性, 使其成为实现高对映选择性和立体选择性催化的重要工具. 手性冠醚通过与碱金属离子的络合显著提升了催化性能, 尤其在Michael加成和氢化反应中具有出色的表现. 环糊精则因其优良的水溶性和生物相容性, 在绿色合成、生物传感和光催化中展现了广泛的应用潜力. 杯芳烃通过获得固有手性和进行手性修饰来增强其手性特征, 并因其多个氢键和刚性受体的性质, 在Michael加成等反应中的充分应用. 柱芳烃通过引入大位阻基团锁定其平面手性, 并通过偶联反应合成新型手性大环化合物, 在不对称氢化等展现了它的催化性能. 此外, 其他手性大环化合物如四氨基双硫脲大环、手性双磷酸酯大环等, 也在Mannich反应、氟环化反应等有机反应中表现出高效催化能力. 这些手性大环化合物的结构和性能将可能被进一步优化, 开发更多新型催化剂. 随着合成化学和超分子化学的发展, 新型手性大环化合物的设计和合成正成为研究前沿[182], 其独特的结构可能为不对称合成带来了新的机遇. 当前, 手性杂环芳烃和柱芳烃催化剂在不对称催化中的的应用尚未充分发展, 尤其是针对复杂底物的立体控制机制仍待深入探索. 我们期待更多研究人员投身于这一具有重大科学意义的研究领域, 有望在生物医学、材料科学和光催化等复杂体系中发挥更大的作用, 为绿色化学和可持续发展提供新的策略和工具.
(Lu, Y.)