合成化学迎重要成果：武大校友解决克莱森重排反应关键难题，实现催化剂的循环再生
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麻省理工科技评论-合成化学迎重要成果：武大校友解决克莱森重排反应关键难题，实现催化剂的循环再生
“这篇论文之所以能登上 Science 主要是因为：首先，它解决了克莱森重排反应中的关键化学问题，填补了该领域的研究空白；其次，我们在二氮杂磷烯催化领域取得了重大突破。”武汉大学博士毕业生、目前正在瑞士洛桑联邦理工学院从事博士后研究的张国亭表示。
在这篇 Science 论文中，一共有三位作者，并由张国亭担任第一作者。研究中，他和所在团队实现了一个手性二氮杂磷烯催化的不对称还原克莱森重排反应，合成了全碳取代的连续季碳立体中心。
期间，他们通过使用硅烷来进行氮-磷键的原位还原，借此实现了催化剂的循环再生，为合成化学领域带来了一项重要成果。
总的来说，他们设计了一种优雅的磷基催化体系，通过底物与催化剂形成了共价键键合催化模式，既能诱导重排过程，又能控制立体化学选择性。
这不仅填补了普适性底物在对映选择性克莱森重排领域的空缺，也为连续全碳季碳手性中心的精准构建提供了全新思路。未来，有望用于构建复杂天然产物、以及构建手性配体中的手性季碳。
日前，相关论文以《催化对映选择性还原 Eschenmoser-Claisen 重排》（Catalytic enantioselective reductive Eschenmoser-Claisen rearrangements）为题发在 Science[1]。
张国亭是第一作者，瑞士洛桑联邦理工学院教授尼古拉·克拉默（Nicolai Cramer）担任通讯作者。
据介绍，不对称催化合成全碳取代的季碳连续立体中心，是有机合成化学里的重大挑战。凭借较为明确的过渡态，克莱森重排反应能够利用手性的原料，合成拥挤的立体中心。
然而，催化的不对称克莱森重排反应，仍然是一个极具挑战性的课题。在目前已知的催化体系中，催化模式的反应活性和立体控制，极度依赖于在反应底物中引入具有双齿螯合的活化基团，这大大限制了在化学合成中的应用。
因此，能够适用于非活化底物克莱森重排反应的催化体系，依旧亟待开发。由于反应活性比较低，非活化克莱森底物的重排反应，通常需要较高的反应温度，来促进重排过程的发生。
而高温条件之下的强背景反应、以及不稳定的立体控制，导致很难实现普适性底物的克莱森重排反应的选择性催化。
针对这一难题，张国亭和所在团队利用 1,3,2-二氮杂磷烯（DAP，diazaphospholene）催化的还原策略。利用氮杂克莱森中间体，他们成功搭建了一个刚性的手性诱导环境。
凭借共价键的耦合结构、以及特殊的极化方式，让还原生成的中间体兼具热稳定性和重排活性，实现了热促进的高立体选择性的还原克莱森重排反应。
详细来说，本次研究起源于他们在 2023 年发表的一篇论文。在那篇论文之中，他们介绍了 DAP 催化的还原 aza-Mislow-Evans 重排反应。
在 2023 年那篇论文的研究中，他们意外发现氮杂的烯醇中间体具有更好的立体选择性和稳定性，这激发了他们的兴趣。
因此，他们定下一个新的课题：开展氮杂化的还原克莱森重排的底物设计和研究。
然而，最初的实验结果并不理想，课题组也为此耗时了半年之久。有一天，张国亭突然产生一个想法：为什么不尝试在高温条件下进行反应？
虽然这和常识完全不符，因为通常认为较低的反应温度，更有利于不对称催化反应的高立体选择性。
尽管这个想法听起来有些疯狂，但张国亭还是决定在实验室里试一试。于是，他设计了一系列对照组实验，其中一些在低温下进行，而另一些则在高温下进行。
结果他惊讶地发现：在高温下进行的反应，竟然展现出比低温更高的立体选择性，这完全颠覆了他们之前的认知。
随后，他们试图找出其中的原因。通过一系列的机理实验和分析，课题组最终发现：高温反应提高立体选择性的原因，是因为高温下共轭还原产生的中间体，会向热力学更加稳定的顺反构型转化。
于是，他们优化了反应的条件和催化剂，结果发现在 120℃ 的条件下可以获得最佳的转化率和选择性。
接着，他们对反应适用的底物范围进行深入研究。期间，他们测试了不同类型的底物，并针对反应的适用性和局限性加以探究。
获得初步研究结果之后，他们开始将该方法应用于合成活性分子，并开始着手合成天然产物，借此实现了镇痛活性的天然产物(+)-aphanorphine 的形式合成、以及 clerodane 二萜类天然产物家族的立体发散性合成。
最后，在合作者的帮助之下。针对本次反应的高立体选择性作用机理，张国亭进行了深入研究。综合分析实验结果和计算结果之后，让他对于反应机理有了更深入的理解。
此外，张国亭还利用自己所发展的催化方法，实现了活性天然产物的合成。
他说：“这也是论文被 Science 的接收关键因素之一。而我在斯坦福大学博后期间的全合成工作很好地帮助了我。”
尽管在斯坦福，那是他第一次接触天然产物全合成的工作。尽管当时在斯坦福做的的全合成工作，和本次课题并没有直接关系。
但是，经此一役也让他意识到，在斯坦福的经历培养了他面对复杂合成难题时的坚韧和执着。
“因此我深信一些经历看似与眼前的目标无关，但在未来的某个时间点都会成为宝贵的财富，为未来的成长打下基础。”张国亭说。
斯坦福大学和瑞士洛桑联邦理工学院，分别是张国亭进行第一站博后研究和第二站博后研究的地方。更早之前，他本科和博士先后毕业于福州大学和武汉大学。
其表示：“我本科毕业于福州大学化学基地班专业，之后加入武汉大学雷爱文教授课题组攻读有机化学专业博士。
2018 年，博士毕业之后我进入斯坦福大学从事博后研究，合作导师是美国著名有机化学家、美国科学院院士、美国艺术与科学院院士巴里·特罗斯特（Barry M.Trost）教授。2021 年 4 月至今，我在瑞士洛桑联邦理工学院的 N. Cramer 教授课题组从事第二站博士后研究。”
在读博和博后期间，他专注于绿色合成方法学、不对称催化及天然产物全合成领域的研究。
通过对催化体系、反应模式及合成方案的创新研究，他开发了一系列高效可控的新型化学反应，并实现了一些活性天然产物和药物分子的简捷合成。
截至目前，张国亭累计发表论文 29 篇、一作论文论文 15 篇，其中包含 1 篇 Science 论文、4 篇 JACS 论文、2 篇Angewandte Chemie International Edition 论文、2 篇 Nature Communications 论文。目前，其论文总被引次数 3700 多次，H 因子为 25。
他最后表示：“我打算今年夏天之后回国，目前正在寻找国内高校的研究岗位。而对于本次研究的后续来说，我和同事正在基于本次催化体系发展其他的还原 σ-迁移重排反应。同时，我们也将发展其他更加经济的氢源还原剂例如氢气。”
参考资料：
1.Zhang, G., Wodrich, M. D., & Cramer, N. (2024). Catalytic enantioselective reductive Eschenmoser-Claisen rearrangements.Science, 383(6681), 395-401.
运营/排版：何晨龙
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