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研究背景

单碳同系化反应是一种非常有效的单原子骨架编辑策略，因其在有机合成中的多样化应用成为了研究热点。尤其是氮杂环的单碳环扩展反应，因能够将现有的环状结构转化为复杂且具有潜在应用价值的环扩展分子而备受关注。

然而，氮杂环的单碳环扩展反应主要局限于非对映选择性反应，且大多依赖于危险且难以获得的α-重氮羰基化合物作为前体，这大大限制了其进一步的应用和分子设计的灵活性。此外，通过酰胺C─N键插入的[1,2]-Stevens型重排的不对称研究迄今尚未报道。

成果简介

有鉴于此，厦门大学“田昭武学科交叉奖”一等奖 (2019)，国家杰出青年科学基金获得者叶龙武、南昌航空大学环境与化学工程学院孙青等人提出了一种新策略，即通过手性铜催化的二炔环化生成乙烯基正离子，并通过酰胺部分进行不对称1,2-酰基迁移，最终实现对映选择性的单碳环扩展反应。

该方法不仅首次实现了基于炔烃的氮杂环的不对称环扩展反应，还在较好至优异产率和对映选择性（最高>99% ee）下生成了一系列具有四取代碳立体中心的手性氮杂环分子。以上成果在Science Advances期刊上发表了题为“Asymmetric one-carbon ring expansion of diverse N-heterocycles via copper-catalyzed diyne cyclization”的最新论文。

研究亮点

（1）本文首次实现了基于炔烃的氮杂环的不对称单碳环扩展反应，成功通过手性铜催化的氮杂环-二炔环化，生成了具有四取代碳立体中心的手性吗啉-2-酮、哌嗪-2-酮和哌啶-3-酮等多种价值化合物，产率达到良好至优异，最高对映选择性超过99% ee。

（2）实验通过铜催化的环化反应，成功生成了氮杂环-乙烯基正离子，这一中间体被氮杂环伴侣的酰胺部分分子内捕获，并通过不对称1,2-酰基迁移实现了环扩展。该方法不仅拓展了氮杂环的合成策略，而且克服了传统方法中对重氮化合物的依赖，为氮杂环的合成提供了新的反应途径。

（3）本文还探讨了反应机制，揭示了对映选择性的来源，进一步丰富了单碳同系化反应的理论基础。研究结果表明，该策略在实现氮杂环的单碳环扩展方面具有广阔的应用潜力，未来可用于合成更多复杂的氮杂环化合物。

图文解读

图1. 氮杂环的单碳环扩展反应。

图2. 2-噁唑烷酮连接的二炔化合物1的不对称单碳环扩展反应范围。

图3. 2-咪唑烷酮连接的二炔化合物3的不对称单碳环扩展反应范围。

图4. 2-吡咯烷酮连接的二炔化合物5的不对称单碳环扩展反应范围。

图5. 制备规模反应及产物延伸。

图6. 可能的反应机制。

图7. 对映选择性起源的DFT计算。

结论展望

本研究通过手性铜催化的单碳环扩展反应，为氮杂环的合成提供了一种新的方法，展示了单碳同系化反应在合成化学中的重要性。这一策略不仅成功实现了乙烯基正离子的生成和转化，还克服了氮杂环合成中的多个挑战，如酰胺的亲核性、竞争性环化及对映选择性的控制。尤其是在不依赖危险的α-重氮羰基化合物的情况下，创新性地利用二炔化合物进行合成，为广泛的有机合成提供了新的思路。

此外，本研究强调了反应机制的深入探讨以及对映选择性的调控，揭示了DFT计算在理解反应过程中的关键作用。这些成果不仅为氮杂环的合成开辟了新途径，还促进了其他化合物的合成与功能化，展示了将来在不对称催化、材料科学和药物发现领域的广泛应用潜力。因此，未来的研究可以继续探索这一方法的拓展，寻找新的底物类型与反应条件，以进一步推动有机合成的进步。

文献信息

Fu-Shuai Li et al. ,Asymmetric one-carbon ring expansion of diverse N-heterocycles via copper-catalyzed diyne cyclization.Sci. Adv.10,eadq7767(2024).

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