注：文末有本文科研思路分析
生物体内复杂分子的合成能够在同一反应器（细胞）内，在不同催化剂（酶）的作用下通过串联反应实现，具有非常高的效率。而在实验室及工业界，复杂分子的合成仍主要通过多步反应才能实现，每一步反应需要在时间和空间上单独进行，且多数情况下需要对每一步的产物进行分离、纯化，时间与材料的耗费较大，同时产生大量的废弃物。为了模拟生物体内的反应模式，科学家提出多催化剂接力催化体系（multi-catalyst relay catalysis, 图1）的概念，在一个反应体系中同时使用多种催化剂来实现多个反应的串联过程，其中每一步反应在同一反应器中同时且有序地进行，能够极大地提高合成的效率。实现这类反应的难点在于解决催化剂、中间体、反应条件等之间的兼容性问题。另一方面，一旦找到兼容性较好的催化剂体系，人们往往能发展一系列高效的合成方法，如金/手性布朗斯特酸体系、钯/手性胺催化体系等。
图1. 多催化剂接力催化体系
烯烃的氢甲酰化过程是工业上规模最大的均相催化体系之一，年产量超过一千万吨。过渡金属催化的不对称烯丙基化反应是有机化学中选择性构建碳-碳、碳-杂原子键最重要的方法之一。最近，中国科学技术大学的龚流柱教授、韩志勇副研究员团队通过多催化剂体系，实现了烯烃氢甲酰化/不对称烯丙基化串联反应，能够通过一步反应将烯烃、烯丙醇与合成气转化为ɑ-季碳手性醛类化合物。
图2. 烯烃和烯丙醇反应形成ɑ-季碳醛
反应所使用的混合催化剂包含两种金属（铑和钯）、两种相应的配体、一种手性磷酸和一种非手性胺，各个组分能够很好地兼容并高效实现整个转化过程，收率高达98%，对映选择性最高达到99%。可能的反应过程如下图所示：在非手性Pd(0)和手性磷酸的催化下，烯丙基醇转化为手性阴离子配位的烯丙基钯中间体III，非手性胺与烯烃氢甲酰化产生的ɑ-支链醛形成烯胺II。中间体II和III反应得到手性亚胺VI，进而水解得到手性ɑ-季碳醛3，同时释放出胺催化剂。在该反应体系中，由于醛的ɑ位在胺的存在下会发生消旋化，因此氢甲酰化过程只需使用外消旋的配体，而手性磷酸成为控制反应体系手性的唯一因素。
图3. 多组分接力催化氢甲酰化/烯丙基化的串联反应
小结
该课题组以简单易得的苯乙烯、烯丙醇和合成气为原料，在Pd(0)、Rh(I)、手性布朗斯特酸、非手性胺的联合催化下，实现了ɑ-季碳手性醛的高效合成。论文的第一作者是研究生孟婧。
该论文作者为：Jing Meng, Lian-Feng Fan, Zhi-Yong Han, Liu-Zhu Gong
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
α-Quaternary Chiral Aldehydes from Styrenes, Allylic Alcohols, and Syngas via Multi-catalyst Relay Catalysis
Chem, 2018, 4, 1047, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.03.010
导师介绍
龚流柱
http://www.x-mol.com/university/faculty/14771
科研思路分析
Q：研究过程中遇到哪些挑战?
A：我们在实现该串联反应的过程中遇到了很多挑战，主要包括：
（1）一氧化碳对钯催化烯丙基化过程的抑制作用
控制实验表明，体系中的一氧化碳会大大降低烯丙基化反应的速率，主要原因是一氧化碳会通过配位作用降低钯催化剂的活性。这一问题主要通过降低CO的压力来解决。而降低CO的压力会造成氢甲酰化过程较慢，因而必须选择活性较高的Ph-BPE作为铑催化剂的配体。反应中氢气对烯丙基化过程的影响较小。
（2）铑和钯催化剂配体交换带来的问题
控制实验表明，铑催化剂所使用的Ph-BPE配体对钯催化的烯丙基化反应具有抑制作用，因而需要减少铑/配体的量，同时保持氢甲酰化过程具有较快的速度。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用?
A：该研究提出了一种由简单原料合成ɑ-季碳手性醛的方法。更加重要的是，反应实现了铑催化的氢甲酰化与钯催化的不对称烯丙基化的结合，对后续的研究具有较大的启发性。
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