南方科技大学在铜催化环丙烷合成取得新突破！

【研究背景】

环丙烷是具有独特立体结构的重要化合物，因其在药物开发、材料科学和有机合成中的广泛应用而成为研究热点。然而，传统的环丙烷合成方法往往受到底物选择性、反应条件苛刻及生成物的对映体选择性低等问题的限制，这严重制约了其在合成化学中的应用。为了解决这些挑战，研究人员们开始探索新的合成策略，特别是对映体转化反应的开发。

在这一背景下，南方科技大学刘心元/顾强帅团队提出了一种基于自由基碳-碳交叉耦合的新方法，该方法实现了丰富的手性环丙基卤化物与多种末端炔烃的对映体转化反应。研究中采用了铜催化剂，特别是通过红氧化态调节实现了催化剂的优化。该策略的成功不仅扩展了反应的底物范围，而且在温和条件下实现了高效的对映体富集，极大地提高了环丙烷合成的选择性和产率。

通过进一步的反应转化，研究者们迅速生成了具有十多种不同取代模式的对映体富集环丙烷库，显示出该方法在合成复杂分子中的潜力。这一研究成果为开发更多的对映体转化交叉耦合反应提供了新的思路，也为合成具有挑战性的环丙烷化合物奠定了基础，推动了相关领域的研究进展。

【表征解读】

本文通过多种表征手段揭示了对映体转化的自由基碳-碳交叉耦合反应机制。具体而言，使用了核磁共振（NMR）谱、质谱（MS）和红外光谱（IR）等仪器，对产物的结构进行了详细分析，从而揭示了反应中环丙基卤化物与炔烃的耦合过程及其生成的对映体富集产物。

针对反应中出现的选择性和立体化学现象，本文通过高效液相色谱（HPLC）等手段，探讨了其微观机理，揭示了铜催化剂在反应中红氧化态的调节作用，及其与手性配体的相互作用。通过这些表征，我们得到了反应产物的纯度和对映体比的量化数据，进一步挖掘了在不同条件下反应选择性的变化。

在此基础上，通过薄层色谱（TLC）和气相色谱（GC）等表征手段，系统评估了反应条件对产物分布的影响，结果显示，在优化的催化剂配比和反应温度下，能够显著提高产物的收率和对映选择性，着重研究了反应条件对反应路径的影响。

总之，经过全面的表征与深入分析，本文对环丙烷的合成反应机理进行了细致探讨，进而制备出了一系列新型的对映体富集环丙烷材料。这些新材料的开发，不仅丰富了合成化学的工具箱，也推动了手性化合物在药物合成和功能材料中的应用进步，为相关领域的研究提供了重要的理论依据和实验支持。

【图文速递】

图1. 外消旋环丙基亲电试剂立体汇聚式自由基C-C交叉偶联机理和设计。

图2. 炔烃和外消旋环丙基溴化物的底物范围。

图3. 其他外消旋环丙基卤化物的反应发展和底物范围。

图4. 用于构建有价值的富对映体环丙烷构建块的合成方法。

图5. 机理研究和建议。

图6. 氧化还原态调整铜催化的初步实验结果和理论依据。

【科学启迪】

本文的研究为对映体转化的自由基碳-碳交叉耦合反应提供了一种新的策略，特别是在合成高度反应性环丙基自由基时，展示了良好的化学选择性。通过红氧化态调节的铜催化剂与硬配体的结合，研究者成功克服了以往反应中常见的副反应问题，从而实现了对映体富集环丙烷的高效合成。这一方法不仅具有广泛的底物适用性，还能生成多种具有重要合成价值的环丙烷构建块，显示出其在药物、配体和材料化学中的潜在应用价值。

此外，本文的成功经验为后续开发其他高度反应性烷基自由基与不同亲核试剂的对映体转化反应提供了启示。通过合理设计催化体系和优化反应条件，研究者可以探索更多具有挑战性的合成反应。这一研究不仅推动了环丙烷化学的发展，也为合成化学领域提供了新的思路和方法，进一步促进了高效、可持续的化学合成进程。

参考文献：Gao, Z., Liu, L., Liu, JR. et al. Copper-catalysed synthesis of chiral alkynyl cyclopropanes using enantioconvergent radical cross-coupling of cyclopropyl halides with terminal alkynes. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00654-x