新興の学際分野

不斉有機触媒

金属を含まない小分子有機触媒が、イミニウム／エナミン中間体や非共有結合性水素結合を介して反応を選択的に進める仕組みを学ぶ。

直観直観：金属なしで不斉環境をつくる

触媒は低エネルギー経路を与えて反応を速め、自身は再生される。有機分子である有機触媒が基質を結合または一時的に共有結合すると、鏡像異性体へ至る二つの経路のエネルギーが異なりうる。

エナンチオマーは分子式や多くのバルク物性が同じだが、三次元配置が異なる。鏡像体過剰率 ee は |R−S|/(R+S) × 100% で、高い ee は一方が優勢という意味であり、高収率とは別である。

プロリンは二級アミン触媒である。カルボニル供与体とエナミンを形成し、エナミンが求電子剤と反応した後、加水分解により生成物を放出してプロリンが再生する。カルボン酸基はプロトン移動や遷移状態の配向を助けることがある。

エナミン触媒ではカルボニル化合物のα炭素に求核性が生じる。イミニウム触媒ではキラルアミンがα,β-不飽和カルボニルと縮合し、LUMOを下げて求核共役付加を促す。加水分解で触媒サイクルが閉じる。

エナミン活性化とイミニウム活性化を切り替え、各サイクルの4段階（アミン触媒との縮合、C–C結合形成、加水分解、触媒の再生）をたどる。

E = \frac{k_{\text{fast}}}{k_{\text{slow}}} = e^{-\Delta\Delta G^{\ddagger}/RT}

\text{ee} = \frac{[R] - [S]}{[R] + [S]} \times 100\%

k_{\text{obs}} = k_1 [\text{cat}] + k_2 [\text{cat}]^2 \quad \text{(nonlinear effect)}

チオ尿素やスクアラミドなどの水素結合供与体は陰イオンやカルボニル酸素に結合し、キラルブレンステッド酸は基質をプロトン化または水素結合できる。これらは電荷の発生を安定化し反応物を配向するが、強さは溶媒、濃度、競合供与体に依存する。

選択性は、触媒が単に一方の面を塞ぐと考えるのではなく、競合する遷移状態で説明する。立体反発、水素結合、イオン対、配座、溶媒構造が寄与しうるため、機構仮説は事実とみなさず検証する。

Proline-Catalyzed Direct Asymmetric Aldol Reactions · B. List, R. A. Lerner, C. F. Barbas III, 2000
The Advent and Development of Organocatalysis · D. W. C. MacMillan, 2008
New Strategies for Organic Catalysis: The First Highly Enantioselective Organocatalytic Diels–Alder Reaction · K. A. Ahrendt, C. J. Borths, D. W. C. MacMillan, 2000