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螺烯是一类具有螺旋骨架的分子，其螺旋结构由末端芳香环间的空间排斥作用诱导形成。这种π-共轭体系的扭曲赋予了分子独特的手性光电磁性质，如旋光性、圆二色性（CD）与圆偏振发光（CPL）。因此，发展精准合成结构多样、对映体富集的螺烯类化合物的方法，在材料科学和手性催化领域备受关注。近日，四川大学刘小华/冯良文团队发展了一种手性钪催化体系，实现了外消旋螺烯芴酮的高效对映选择性动力学拆分/同系化反应。该策略创新性地将动力学拆分与羰基同系化相结合，可同步获得光学纯的螺旋芴酮和扩环生成的螺旋菲酮，实现了“一石二鸟”的合成效率。反应具有优异的对映和非对映选择性，底物适用范围广，并可实现克级规模和所有立体异构体的发散性合成。研究进一步通过系统的光物理测试与理论计算证实，同系化驱动的扩环能显著增强产物的圆二色性响应，为设计具有强手性光学活性的螺旋分子结构提供了新方法与深刻见解。

螺烯作为一类具有螺旋骨架的分子，其独特的螺旋构型源于末端芳香环之间的空间排斥作用。这种π-共轭体系的螺旋扭曲使其展现出特殊的手性光电磁特性，包括旋光性、圆二色性（CD）及圆偏振发光（CPL）等。因此，开发能够精确构建结构多样、对映体富集螺烯类化合物的合成方法，在材料科学和手性催化领域引起了广泛关注。

相较于中心手性合成领域的显著进展，螺旋手性的构建方法仍显不足。当前，过渡金属催化的不对称反应，如[2+2+2]环化异构化、氢芳基化、烯烃复分解及交叉偶联等，已成为构建手性螺烯的主要途径。以Tanaka课题组的工作为例，他们开发的铑(I)/手性双膦催化体系虽成功构建了[9]螺旋芴酮骨架，但存在收率和对映选择性不够理想的问题；该体系后来被用于合成[7]螺旋芴酮（图1A）。Oestreich团队则探索了通过钯催化光学纯轴手性联芳基化合物的插羰反应来制备[7]螺旋芴酮（图1B），然而反应过程中的高温导致外消旋化，使得从轴向手性到螺旋手性的转换效率受限。由此可见，发展新颖、普适性强的对映选择性合成策略，以实现手性螺旋芴酮及其衍生物的高效制备，仍是该领域面临的重要课题。

动力学拆分作为一种补充策略，能够同时获得对映纯的起始原料及其衍生化合物。同时，α-重氮化合物作为单碳合成子参与的羰基同系化反应，是一种高效的分子骨架编辑工具。研究团队创造性地提出将这两者结合，通过将同系化反应整合到螺旋芴酮的动力学拆分中，以期同步获得两类具有价值的手性螺烯酮化合物（图1C）。基于团队先前在同系化反应及相关领域的深入研究（J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8532-8533.; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 8644-8647.; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 2394−2402.），他们识别出将该策略应用于螺旋芴酮体系时需解决的三个核心难题：

（1）催化剂的设计：需要构建由强路易斯酸与相匹配的手性配体组成的催化体系，以利用配体加速效应有效驱动反应；

（2）对映体的精准识别：催化剂必须能够精确区分螺烯芴酮骨架中远离金属中心的、空间取向不同的两个芳香环；

（3）复杂的立体化学控制：目标产物螺旋菲酮同时包含螺旋手性和中心手性，这使得对反应的非对映选择性和对映选择性控制变得尤为复杂。

图1. 对映选择性合成螺烯芴酮研究背景（图片来源：Nat. Commun.）

该催化体系展现出优异的底物普适性。研究结果表明，一系列不同取代的[7]螺烯芴酮（A2–A20）均能顺利参与同系化/扩环反应。不论取代基为给电子基团还是吸电子基团，也不论其在芳环上的位置如何，反应均能保持高收率，并以优异的对映选择性和非对映选择性，获得[7]螺烯菲酮产物同时回收光学纯的[7]螺烯芴酮（图2）。

图2. 对称[7]螺烯芴酮底物扩展（图片来源：Nat. Commun.）

该催化体系在非对称[6/7]螺旋芴酮（A21-A25）的动力学拆分中也展现出卓越性能（图3）。反应表现出优异的区域选择性：(M)-构型异构体因反应活性较低而被高效回收，而(P)-构型异构体则优先发生同系化反应，通过较小芳基的优先迁移，在邻位构建季碳中心，以优良收率和对映选择性生成扩环产物[6/7]螺旋菲酮。值得注意的是，[5]螺烯芴酮由于低的翻转能垒在该体系下能够实现完全转化，以优异的对映选择性和非对映选择性获得相应的扩环产物。

图3. 非对称[4/6/7]螺烯芴酮底物扩展（图片来源：Nat. Commun.）

该催化体系对多种α-重氮酯（B1–B32）均展现出良好的兼容性。如图4所示，各类取代的α-重氮酯均能高效参与转化，成功构建了结构多样的[7]螺烯菲酮衍生物库，充分展示了该方法在构建结构多样的螺旋手性芳香酮化合物库方面的应用潜力。

图4. α-重氮乙酸酯底物扩展（图片来源：Nat. Commun.）

该合成策略具备良好的可放大性，在克级规模反应中仍能保持优异的拆分效率与立体控制水平（图5A），展现出可观的实际应用前景。通过分别使用Sc(III)/NO-3及其对映体Sc(III)/ent-NO-3作为催化剂，并结合不同构型的原料，可系统性地实现[7]螺烯芴酮的两种对映体以及[7]螺烯菲酮全部四种立体异构体的立体发散性合成。此外，回收的[7]螺烯芴酮可作为关键合成砌块，进一步转化为螺芴、肟、腙及全碳[7]螺烯等多种功能化螺烯衍生物（图5B），凸显了其在复杂手性分子构筑中的重要价值。

图5. 克级合成、立体发散性合成、衍生（图片来源：Nat. Commun.）

作者对合成出的分子进行了系统的光电性质表征。所有对映体都显示出完美的镜像CD光谱（图6A）。关键的发现是：从螺旋芴酮到螺旋菲酮的扩环反应，显著增强了圆二色性响应。例如，(P,S)-C1 的最大不对称因子|gabs|达到+1.4×10⁻²，几乎是原料M-A1（-7.7×10⁻³）的两倍（图6B）。取代基的位置和体积对|gabs|值也有显著影响，这为精准调控分子手性光学性质提供了指导（图6E）。部分化合物表现出CPL活性。例如，(P,S)-C1与(M,R)-C1在500 nm处显示出镜像CPL信号，发光不对称因子|glum|为3.6×10⁻⁴。化合物(P,S)-C19表现出该系列中最强的CPL发射，|glum|达到1.1×10⁻³。作者通过TD-DFT计算，揭示了gabs值增强的机理：相比于螺烯芴酮A1，螺烯菲酮C1具有更高的磁跃迁偶极矩与电跃迁偶极矩的比值（|m|/|μ|），以及更小的两个偶极矩之间的夹角θ（图6D），这两个因素的协同作用导致了更强的圆二色性响应，计算所得理论gcal与实测gabs的变化趋势完全吻合（图6E）。

图6. 化合物手性光学效应研究（图片来源：Nat. Commun.）

对合成所得分子进行的系统光电性质表征显示，所有对映体均呈现完美的镜像对称圆二色性（CD）光谱（图6A）。研究中的重要发现在于：从螺旋芴酮到螺旋菲酮的扩环反应显著增强了体系的圆二色性响应。具体而言，(P,S)-C1的最大不对称因子|gabs|达到+1.4×10⁻²，较原料M-A1的响应值（-7.7×10⁻³）提升近一倍（图6B）。取代基的空间位阻与位置效应对|gabs|值产生显著调控作用（图6E），这为精准优化分子手性光学性能提供了重要依据。在发光特性方面，部分化合物展现出明显的圆偏振发光（CPL）活性。其中，(P,S)-C1与(M,R)-C1在500 nm处呈现镜像对称的CPL信号，其发光不对称因子|glum|为3.6×10⁻⁴；而(P,S)-C19则表现出本系列中最强的CPL发射，|glum|值高达1.1×10⁻³。通过TD-DFT理论计算，研究人员进一步揭示了gabs值增强的微观机制：与螺烯芴酮A1相比，螺烯菲酮C1具有更高的磁/电跃迁偶极矩比值（|m|/|μ|）以及更小的偶极矩夹角θ（图6D）。这两方面的协同效应共同促成了更强的圆二色性响应，理论计算值gcal与实验测定值gabs的变化趋势高度吻合（图6E），验证了构效关系的合理性。

本研究成功开发了一种基于手性钪/N,N’-双氧化物配合物的催化体系，实现了外消旋螺旋芴酮的高效对映选择性动力学拆分-同系化串联反应。该策略通过”一石二鸟”的方式，同步构建了兼具螺旋与中心手性的螺烯菲酮，同时高光学纯度地回收了未反应的螺烯芴酮对映体。系统研究揭示了同系化驱动的骨架编辑可显著增强体系的圆二色性响应，其机制源于优化的跃迁偶极矩匹配关系。这项工作不仅建立了光学纯螺旋芳香酮的通用合成方法，更为设计高性能手性光学材料提供了重要的实验与理论见解。

相关成果近期发表在Nat. Commun.上（DOI：10.1038/s41467-025-64151-1），四川大学博士研究生李世扬为本文第一作者。刘小华教授、冯良文教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（22188101）和四川大学(2020SCUNL204)的经费支持。