在藥物研發領域,含有較多sp³碳(也就是立體結構較豐富、較飽和)的分子,其需求正日益增加,而要合成這類分子,在兩個sp³碳之間直接形成碳-碳鍵,也就是進行C(sp³)–C(sp³)偶聯反應,是一條重要途徑。這類反應近年來雖已愈來愈普遍,但要精確控制新生成碳-碳鍵的立體構型(即掌性),仍是一大難題。目前最成熟的作法,是使用帶有掌性配體的過渡金屬催化劑捕捉外消旋的烷基自由基,藉催化劑本身的掌性來決定產物掌性;然而,這種作法所需的金屬-烷基中間體通常得從有機金屬試劑製備,而有機金屬試劑來源有限、可適用的官能基種類也少。另一種更吸引人的策略,是直接採用本身就帶有掌性的起始物,並在反應過程中保留其掌性,只是這類作法在過去只適用於苄基、烯丙基等少數特殊起始物。掌性羧酸正是理想的起始物,因為它是含量最豐富的掌性建構單元之一,佔了所有α-掌性分子的23-27%,其中胺基酸更是便宜又容易取得。然而,過去若要用羧酸來形成碳-碳鍵,都得先讓羧酸脫羧、形成烷基自由基,而自由基會在不到10皮秒的極短時間內就失去掌性,使起始物原有的掌性無從保留。因此,科學家亟需一種既能利用這些豐富的掌性羧酸、又能完整保留其掌性的碳-碳鍵形成方法。
近日,美國威斯康辛大學麥迪遜分校與諾華製藥(Novartis)共同組成的研究團隊,受經典Curtius重排的啟發,成功開發出一種鎳催化的立體保留脫羰偶聯反應。他們先把胺基酸或α-羥基酸做成2-吡啶酯,該酯與鎳氧化加成後會快速脫去一氧化碳,使掌性碳保留構型地轉移到鎳上,形成掌性烷基鎳中間體;該中間體雖只能穩定數分鐘,卻足以捕捉由烷基碘產生的烷基自由基,立體保留地形成新的碳-碳鍵。借助新型配體tBuPyPz,反應能抑制酮類副產物。以脯胺酸為例,利用該法所形成的產物產率達80%、掌性保留度達99%,且只需在22-40°C下進行,遠低於傳統方法的70-180°C。該方法適用於多種胺基酸與α-羥基酸,還能製備自由基法難以取得的非對映異構物。研究人員表示,這項「金屬-Curtius」策略為未來的立體保留偶聯反應奠定了基礎。