2)机制在有机化学中占据重要地位,因其在合成中的核心作用而成为研究热点。然而,离子S2途径的催化控制极为罕见,特别是在生物催化中。这是因为催化剂与反应离子对之间的静电相互作用会稳定其电荷,从而降低其极性反应性,使反应速率减慢。有鉴于此,美国哈佛大学Eric N. Jacobsen教授团队提出了一种小分子氢键供体(HBD)催化剂千亿国际,通过再现酶的几何预组织原则,加速了对映选择性的Michaelis-Arbuzov反应中的S
2步骤。机理和计算研究表明,HBD削弱了氯离子亲核体的反应性,但通过将磷鎓阳离子和氯离子重新组织成进入SN2过渡态的几何形状,加速了决定速率的脱烷基步骤。这种新的对映选择性Arbuzov反应提供了高度对映选择性的H-磷酸酯,这些化合物是多种衍生化反应的通用P-手性构建基块。通过精确设计的手性HBD催化剂,作者成功地在高对映选择性的Michaelis-Arbuzov反应中加速了磷鎓卤化物离子对中间体的S
2脱烷基化。这一研究不仅为P-手性化合物的合成提供了新的平台,还展示了几何预组织在催化中的潜力,开创了催化对映控制的新领域。
2步骤本文首次展示了一种小分子氢键供体(HBD)催化剂能够加速对映选择性的Michaelis-Arbuzov反应中的S
2步骤。通过再现酶在几何预组织中的作用,研究人员实现了这一催化过程。这一新方法使得研究人员能够获得高度对映选择性的H-磷酸酯,这些化合物是多种衍生化反应的通用P-手性构建基块。
实验通过固态X射线结构表征、立体化学、理论和动力学研究,揭示了HBD催化剂如何通过重新组织磷鎓阳离子和氯离子成进入S
2机制的催化研究人员受到5-氟-5-脱氧腺苷合成酶(FDAS)的结构-机制关系的启发,采用仿生方法设计了小分子催化剂,成功地在高对映选择性的Michaelis–Arbuzov反应中加速了磷鎓卤化物离子对中间体的S
2脱烷基化。这一方法不仅提供了一个手性环境用于对映体诱导,还展示了通过几何预组织稳定“接近攻击”基态构象,从而实现了过渡态的加速。
科学结论】本文展示了一种创新性的小分子氢键供体(HBD)催化剂在对映选择性Michaelis-Arbuzov反应中的应用,通过再现酶所采用的几何预组织原则,加速了S
2途径中静电相互作用带来的限制。一般来说,静电相互作用会稳定离子对反应物,从而提高活化能障,降低反应速率。然而,研究表明,通过几何预组织的方法,可以有效地加速SN2反应步骤,而不依赖于静电稳定化。这为催化SN2机制的反应提供了新的思路,打破了传统理论的桎梏。其次,本文借鉴了亲核卤素化酶(如FDAS)的催化机制,通过去溶剂化并精确定位亲核体,成功地将这一酶催化的原理应用于小分子催化剂设计。这种仿生方法不仅展示了生物催化的潜力,也为设计新型高效催化剂提供了宝贵的经验。
此外,研究证明了手性HBD催化剂在对映选择性反应中的卓越性能。通过精确设计的手性环境,HBD催化剂能够有效地加速磷鎓中间体的S
2脱烷基化,并实现高度对映选择性的产物。这一发现不仅拓宽了Michaelis-Arbuzov反应的应用范围,还为其他重要的有机磷化合物反应(如Appel、Staudinger和Pudovik反应)的对映选择性变体提供了新的可能性。最后,本研究强调了基态预组织在催化过程中的重要性。与传统依赖于过渡态稳定化的方法不同,基态预组织通过将反应物几何结构调整至接近过渡态,从而降低活化能,提升反应速率。这一策略为未来的催化剂设计提供了新的方向,有望在更广泛的化学反应中得到应用。
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