手性分子的精準構筑是現代合成化學的核心課題之一,尤其在藥物研發中至關重要。新藥開發研究表明,類似結構的手性雜環化合物中環元數或立體構型的微妙變化經常導致種子化合物藥理活性、毒性及代謝特性等生物化學性質表現出顯著差異。因此,對結構類似、包含不同尺寸環系及環上立體中心構型不同的分子家族進行的遍歷研究在藥物化學中十分必要。然而,盡管這些分子表現出結構形式上的相似性,構建這樣一族環系尺寸不同、立體化學多樣的分子從合成方法學的角度來說通常十分困難,每種不同大小的環和非對映立體化學構型均需要針對性設計不同的合成路線并逐一進行條件優化,步驟繁瑣、效率低下,且成本高昂。因此,發展一種普適性策略,使單一手性催化劑能夠“智能適應”不同環尺寸,自動輸出可反轉調變的立體構型,將極大地方便藥物先導化合物庫的快速構建和優化。
圖1.自適應動態動力學拆分(Adaptive DKR)的核心概念與機制
黃漢民教授團隊長期深耕于氮雜三元環鈀絡合物(Huang Complex)化學,團隊先后以其作為Leading complex發展了新型的C-N鍵復分解基元新反應(J. Am. Chem. Soc.2020,142, 18341),并建立了有機胺動態排序的新范式(Nature Chem.2024,16, 1972)。受其獨特的動態平衡性質啟發,團隊巧妙利用胺烷基三元環鈀絡合物的動態互變特性,富有創見性地提出“自適應動態動力學拆分”(Adaptive DKR)手性建立新概念(圖1)。在經典DKR中,產物構型在催化劑結合底物時即被“鎖定”;而在自適應DKR模型中手性誘導步驟與催化劑-底物結合步驟“解耦”并融合于后續的轉化過程中;這使得生成的環鈀中間體的構型可調,并能根據成環過渡態的能量差異(主要由目標環尺寸決定)進行動態互變,最終實現環尺寸變化時立體構型的“自適應反轉”。
圖2.自適應DKR策略的初步實驗證據
基于這一創新機制,團隊發展了一套高效的鈀催化不對稱環化反應(圖2)。使用完全相同的手性雙膦配體螯合的鈀催化劑,當改變胺基二烯鏈長度(即改變目標產物的環尺寸)時,產物分子中氮原子鄰位手性中心構型發生了反轉,合成六元環和七元環的氮雜并環產物時,主要立體異構體氮原子鄰位手性中心呈S構型;而合成五元環產物時,該位置則“自適應”地反轉為R構型。該反應底物普適性優異,能夠兼容多種水楊醛、鄰氨基芳香醛、胺烷基醛及胺基二烯底物,以良好的收率、非對映選擇性和對映選擇性構建含有多個連續手性中心的結構多樣([6,6,6], [6,6,7], [6,6,5]等稠合模式)的氮雜多環化合物。
圖3.自適應DKR策略助力Martinellic acid高效全合成
該策略能夠應用于復雜天然產物 (?)-Martinellic acid 的高效全合成(圖3)。Martinellic acid分離自亞馬遜雨林植物,具有獨特的三環稠合骨架和三個連續手性中心,其立體選擇性全合成極具挑戰性。已知文獻報導中其合成路線為12-25步,總產率僅3.3%。黃漢民教授團隊巧妙地利用自適應DKR策略作為關鍵的手性骨架構建步驟,從商業可得原料出發,僅用9步即可完成(?)-Martinellic acid的全合成,總產率達11%,充分彰顯了自適應DKR策略在復雜分子合成中的強大威力。
《自然·化學》的審稿人對該工作給予了高度評價,稱“作者將前期對Huang Complex的深入研究和理解應用于建立自適應動態動力學拆分這一富有新意的創見性概念框架,為開發新穎且有力的有機合成方法學提供了堅實基礎”。Adaptive DKR概念的成功應用使得利用單一手性催化劑實現產物立體化學對目標產物環尺寸的“動態適應”成為可能,突破了長期以來環尺寸變化導致立體構型不可預測和難以控制的合成瓶頸。它不僅為高效構建結構多樣、立體化學豐富的氮雜多環化合物庫提供了變革性工具,極大地簡化了如Martinellic acid等復雜天然產物的合成路線,更重要的是其核心思想——利用催化中間體的動態可逆平衡和環尺寸依賴的過渡態能量差異來實現立體選擇性的自適應調控——為未來設計更加智能、靈活的不對稱催化策略提供了全新的范式,有望在藥物先導化合物庫的快速構建和優化中發揮巨大作用。
該工作的第一作者是中國科學技術大學特任副研究員于幫魁,黃漢民教授為唯一通訊作者。該項研究工作得到了國家杰出青年基金(21925111)、重大研究計劃手性集成項目(92356302)和中國科學院戰略性先導(XDB0450301)等項目的支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41557-025-01850-8
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