不对称催化与有机功能分子的合成       

      作为生命过程的重要化学基础，识别、组装和催化一直是有机化学研究的前沿和核心内容。研究工作一方面针对手性催化剂的选择性、催化效率和催化剂的分离回收等核心科学问题，发展高效、实用和环境友好的不对称催化反应，以及可方便分离回收的手性催化剂新体系；另一方面基于树状大分子结构的特异性，发展新型的功能有机分子，以及它们在不对称催化、自组装及功能材料领域中的应用。具体研究方向包括：

不对称催化

环境友好的催化反应

功能树状分子的设计合成及组装

生物活性杂环化合物的合成

一、不对称催化

亚胺和含氮芳香杂环化合物的不对称氢化：

       过渡金属催化芳香杂环化合物和亚胺的不对称氢化是获得手性杂环化合物和手性胺的最简单高效的方法之一。但由于含氮化合物对催化剂的潜在毒化作用，亚胺化合物的不稳定性及多种异构体的存在，以及芳香杂环化合物的共轭稳定性等不利因素，因此，亚胺类化合物特别是含氮芳香杂环化合物的高效不对称氢化依然十分困难。针对上述问题，一方面利用非传统介质或大分子载体的特殊性质发展高效、可方便分离回收的催化剂新体系，另一方面基于离子型外层催化机理及抗衡阴离子效应发展高效、稳定的离子型手性金属二胺催化剂，实现了系列亚胺包括开链和环状N-烷基亚胺，以及喹啉、喹喔啉和邻菲啰啉等含氮芳香杂环化合物的高效、高立体选择性不对称氢化。

Figure 1. Asymmetric Hydrogenation of Imines and Heteroaromatic Compounds

手性超分子催化剂：      

       利用超分子识别与组装的基本原理，发展新型超分子手性催化剂及实现催化反应的超分子选择性调控是不对称催化领域新的研究热点和前沿。冠醚是一类具有柔性骨架结构的富电子大环阳离子主体分子，对于碱金属离子、碱土金属离子、有机铵离子及一些缺电子中性分子等都能够进行选择性识别，在超分子化学中显示出独特的魅力。为此，我们开展了基于冠醚/金属冠醚结构的超分子手性金属催化剂研究，发展了新颖的准轮烷手性配体/催化剂以及手性金属冠醚催化剂，实现了主-客体相互作用对催化性能的调控，为手性配体/催化剂的构筑提供了新途径。

Figure 2. Design of Supramolecular Chiral Ligands Based on Psuedorotaxanes

 

Figure 3. Design of Supramolecular Chiral Catalysts Based on Metallacrown Ethers

二、环境友好的催化反应

      据报道，超过70%的化工过程使用溶剂，每年大约2000万吨溶剂挥发。因此，寻找环境友好的反应介质替代传统的有机溶剂是绿色化学的重要研究内容，同时，也为均相催化剂的分离与回收提供了新的途径。为此，基于水、离子液体和液态聚乙二醇等非传统反应介质的特色性质，我们开展了环境友好的不对称催化反应研究。研究发现离子液体和液态聚乙二醇等作为新的绿色反应介质，并非有机溶剂的简单替换，不仅有利于提高催化剂的选择性和稳定性，而且更加方便催化剂的分离与回收，为手性催化剂的实际应用奠定了基础。

Figure 4. Asymmetric Catalysis in Polyethylene Glycols and Ionic Liquids

三、功能树状分子的设计合成、组装及应用

树状分子催化剂：

      基于酶催化原理，以树状分子为载体，利用树状大分子独特的物理化学性质及其精确可控的分子三维立体结构，通过分子设计在树状分子的表面或核心引入（手性）催化活性中心，构建具有“协同”或“孤立”效应的（手性）催化剂新体系是催化研究领域的前沿和热点之一。我们选择性能优异的小分子配体为研究对象，发展了系列新型树状分子催化剂以及催化剂分离回收新方法。研究表明：树状分子载体不仅方便催化剂的分离与回收，而且更重要的是可以调控催化剂的催化活性和立体选择性，提高催化剂的稳定性能，为负载均相催化剂的分子设计开辟了新的途径。

Figure 5. Dendritic Ligands/Catalysts and Their Applications in Catalysis 

 

树状分子凝胶：

     有别于传统利用酰胺基、长链烷基和胆甾体等典型成胶基元所提供的典型氢键和范德华力等非共价弱相互作用来构筑树状分子凝胶体系，我们利用树状分子的协同效应和放大效应，发展了系列基于树状分子外围芳环间多重π-π堆积作用和非典型氢键作用的聚芳醚树状分子凝胶新体系。该类凝胶因子具有优异的成胶性能，成胶溶剂广，成胶浓度低，达到了目前小分子凝胶的最好水平，且突破了目前文献中认为只有低代数树状分子才能有效成胶的限制；通过揭示树状分子结构与成胶性能的关系，为理性设计新型树状分子凝胶因子开辟了新的方向和思路。同时，利用这一特色大分子凝胶因子，发展了系列具有光电功能及对外界刺激具有多重响应性的智能凝胶体系，为树状分子凝胶的功能化和应用拓展了新的方向。

Figure 6. Versatile Dendritic Organogelators & Functional Organogels

 

树状分子-DNA杂合体：

    两亲性DNA嵌段共聚物结合了两亲分子的微相分离特性和DNA的可编程、碱基配对等特性，作为一类新型的超分子构筑基元，在纳米材料和超分子领域显示出其它材料不可比拟的优势，已成为该研究领域的新增长点。为此，我们与清华大学刘冬生教授课题组合作，选择具有不同分子体积、拓扑结构及亲疏水性质的有机高分子（特别是树状大分子），以及设计具有不同碱基序列或特异组装性能的DNA分子，通过化学键或DNA的碱基配对构建了系列两亲性DNA-有机高分子嵌段共聚物，它们在水相中展示了一些独特的组装行为及组装形貌。

Figure7. Design, Synthesis and Self-Assembly of DNA Block Copolymers

四、生物活性杂环化合物的合成

       手性杂环类药物在许多重要疾病的治疗方面得到广泛的应用，如抗生素类药物中的β－内酰胺、抗病毒药物中的核苷类化合物、抗肿瘤药物中的紫杉醇、抗老年痴呆症药物中的吡咯烷、哌啶和四氢（异）喹啉类生物碱，以及抗心血管病类（如他汀类）手性杂环药物等。但缺乏高效、高立体选择性和实用性强的手性杂环合成方法往往是制约杂环类药物研发的“瓶颈”问题，例如，β－内酰胺类化合物分子中手性内酰胺环的构建、核苷类药物分子中非天然糖环的构建，以及生物碱中手性含氮杂环的构建等。为此，基于我们在负载均相催化剂和不对称氢化方面的研究基础，开发一些具有自主知识产权的、实用和绿色的合成若干重要手性杂环化合物及手性药物中间体的新方法。

Figure 8. Bioactive Compounds and Alkaloids via Asymmetric Hydrogenation