NHC/金双催化体系中烯醛与炔酰胺[4+2]环加成反应的理论研究：立体选择性机制与调控因素解析

本研究针对N-杂环卡宾(NHC)/金(Au)双催化体系中烯醛与炔酰胺的[4+2]环加成反应，通过密度泛函理论(DFT)揭示了多步催化循环机制，发现迈克尔加成步骤为立体选择性决定步骤，非共价相互作用(NCI)和原子在分子中(AIM)分析证实低能过渡态的稳定性源于更有效的分子间作用力，为双催化体系设计提供了理论依据。

　　

在有机合成领域，单一催化体系常面临反应活性和选择性调控的瓶颈。如何通过双催化剂协同作用实现复杂分子构建，成为突破该瓶颈的关键科学问题。特别是N-杂环卡宾(NHC)与过渡金属的联合催化体系，因其能同时发挥有机催化和金属配位催化的优势而备受关注。然而，这类双催化反应的机制解析和立体选择性控制因素仍不明确，制约着其精准应用。

针对这一挑战，中国某研究机构（根据CRediT声明推测为国内单位）的研究团队选择NHC/Au双催化下的烯醛与炔酰胺[4+2]环加成反应作为模型体系，采用密度泛函理论(DFT)系统研究了反应机制与立体选择性起源。该成果发表在《Molecular Catalysis》期刊，为双催化体系设计提供了分子层面的理论指导。

研究采用M06-2X泛函进行几何优化，结合6-31G(d,p)基组和SDD赝势处理金原子，通过IEF-PCM模型模拟二氯乙烷(DCE)溶剂环境。关键过渡态经频率分析验证，并运用非共价相互作用(NCI)和原子在分子中(AIM)理论解析立体控制因素。

反应机制

计算揭示了包含四个关键步骤的NHC催化循环：1）NHC对烯醛的亲核进攻形成两性离子中间体；2）布朗斯特酸辅助的[1,2]-/[1,4]质子转移产生烯醇中间体；3）烯醇与金催化生成的α,β-不饱和N-磺酰酮亚胺(P1)发生迈克尔加成形成酰基唑鎓中间体；4）内酰胺化获得终产物。金催化循环则通过PPh₃Au⁺活化炔酰胺(R1)生成关键酮亚胺中间体。

立体选择性起源

研究发现Si-Si加成模式在迈克尔加成过渡态中能量最低（比Re-Re模式低2.3 kcal/mol）。NCI分析显示低能过渡态中存在更强的C-H···π和孤对电子···π相互作用，AIM理论进一步证实其键临界点电子密度更高，这种立体电子效应是立体选择性的本质原因。

结论与意义

该研究首次提出NHC在双催化中"一肩双挑"的作用模式：既作为有机催化剂活化烯醛，又作为金催化剂的配体。通过理论计算阐明了：1）双催化体系的协同作用机制；2）立体选择性的电子结构基础；3）NHC多功能化设计的可能性。这不仅为理解NHC/金属双催化提供了范式，更为发展新型不对称合成方法奠定了理论基础。国家自然科学基金(21903072)和河南省重点研发计划(242102310470)等项目的支持凸显了该研究的战略价值。