氢键催化

氢键催化是一种有机催化,它依赖于使用氢键相互作用来加速和控制有机反应。在生物系统中,氢键在许多酶促反应中起着关键作用,无论是在定向底物分子还是降低反应障碍方面。然而,化学家最近才尝试利用氢键进行催化,与路易斯酸催化的研究相比,该领域相对不发达。催化量的氢键供体可以通过多种不同的机制促进反应。在反应过程中,氢键可用于稳定阴离子中间体和过渡态。或者,一些催化剂可以结合小阴离子,从而形成反应性亲电阳离子。酸性更强的供体可以作为一般酸或特定酸,通过质子化激活亲电试剂。一种有效的方法是同时激活反应中的两个伙伴,例如亲核试剂和亲电试剂,称为双功能催化。在所有情况下,催化剂分子与底物的紧密结合也使氢键催化成为一种强大的诱导对映选择性的方法。氢键催化剂通常制造简单,相对稳健,并且可以以高对映体纯度合成。由氢键供体催化的新反应正在以越来越快的速度发现,包括可用于合成的常见有机反应的不对称变体,例如醛醇加成、Diels-Alder环加成和曼尼希反应。然而,在氢键催化在合成效用方面充分发挥其潜力之前,必须克服几个挑战。当前已知的反应是非常特定于底物的并且通常表现出低速率加速和周转,因此需要高催化剂负载。催化剂往往是通过反复试验发现和优化的,化学家对催化剂结构与反应性之间的关系了解甚少。此外,该领域缺乏对机理的一般理解,而新反应的发现已经xxx超过了这一点。随着未来对结构和机理的更详细研究,氢键催化在实现新的、高效的、选择性的反应和在不对称合成中具有广阔的应用前景方面具有巨大潜力。

催化策略

催化剂设计

合成应用

挑战和未来目标

尽管人们对有机催化产生了广泛的兴趣,并且不断发现大量新的催化体系,但对氢键催化领域的机理和催化剂设计的理解进展极为有限。与钯催化偶联反应等更发达的领域相比,氢键催化存在许多尚未成功解决的挑战。

氢键催化
  • 营业额:虽然钯催化反应通常在催化剂负载量低于0.1mol%时有效,但氢键催化剂的添加量通常超过10mol%。为了使氢键催化成为一种实用的合成策略,必须克服差速加速的普遍趋势。
  • 机理:未来,需要进一步研究氢键催化机理中涉及的精确步骤,这将使化学家能够合理地设计催化策略,以实现更复杂或更有用的转化。相比之下,钯催化交叉偶联的基本步骤在过去几十年中得到了系统和彻底的研究,并在催化范围、控制和反应设计原则方面取得了巨大进步。例如,对氧化加成的深入理解导致芳基氯化物成为实用的偶联伙伴,而对还原消除的深入理解导致了涉及sp3中心的新反应的发展。了解这些基本的催化步骤,合理规划新反应和级联反应的能力在全合成领域非常有用。相比之下,我们缺乏对氢键催化步骤以及如何影响它们的一般、系统的机械理解。迄今为止,详细的机制研究仅限于单个系统,并且他们的发现还没有可证明的预测用途。
  • 催化剂:一个相关的挑战是研究如何使用催化剂、结构、构象和电子的变化来合理地影响反应。目标是充分了解如何使用多种合作互动来xxx地加速反应并赋予选择性。理想情况下,合理的催化剂设计最终将取代催化剂家族的筛选,并且构建单元的选择将变得更加系统化。
  • 范围:虽然不断发现新的反应,但大多数反应的底物范围极窄,而且范围如此窄的原因往往不为人知。在钯催化领域,机理认识基础建立后,反应范围迅速扩大。了解影响催化每一步的因素,使化学家能够设想和追求高合成效用的新反应,例如CH键活化反应。在氢键催化领域,化学家还没有达到可以轻松系统地定位新型反应性的阶段。在这一点上,反应发现是有用的,但需要更详细的机理研究来实现氢键催化的全部潜力。

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