特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。四面體碳立體中心的控制仍然是現代合成化學的一個焦點，這得益于它們的構型穩定性。相比之下，三取代的氮、磷和硫化合物發生錐體反轉，這是一種被廣泛利用的基本和公認的立體化學現象。然而，氧鎓離子（一個帶正電的氧原子上有三個取代基的化合物）的立體化學發展得很差，除了作為活性中間體存在外，氧鎓離子在合成中的應用很少。目前還沒有氧原子是唯一立體中心的結構穩定的氧鎓離子的例子，這可能是由于氧錐體反轉的勢壘很低，而且所有的氧鎓離子都是高活性的。在這里，牛津大學Martin D. Smith等人描述了一個螺旋手性三芳氧鎓離子的設計、合成和表征，其中通過幾何限制防止氧孤對的反轉，使其能夠作為構型的決定因素。合成和量子計算相結合的方法描述了能夠生成構型穩定和室溫可分的鹽的設計原則。結果表明，反演勢壘大于110 kJ mol?1，并概述了反演過程。據我們所知，這是唯一一個手性非消旋且構型穩定的分子，其中氧原子是唯一的立體中心。對三價氧化合物的反轉勢壘的唯一經驗測量是環氧化合物衍生的氧鎓鹽，其反轉勢壘為42 kJ mol?1，大大低于在環境溫度下保持構型穩定性所需的勢壘。因此，沒有實例表明，在分離富對映體氧離子時，氧原子是唯一的立體中心。用不同長度和靈活性的連接劑連接三芳基氧鎓支架中的芳香環，可以增加氧反轉的屏障，同時也能保持其他三芳基氧鎓離子所表現出的穩定性。足夠高的對映體化勢壘將在實驗室時間尺度上有效地鎖定立體生氧孤對的構型，并生成螺旋手性分子。
作者選擇二苯并呋喃-黃蒽支架進行研究，因為黃蒽骨架中的CH2質子可以作為報告基團，通過變溫1H NMR波譜測量反轉勢壘。從商業材料中制備了功能化的黃烯以及與4,6-二甲基-2-溴苯胺交叉偶聯得到聯芳基。結果表明在與苯并呋喃環融合時存在一定的角度應變，盡管這似乎并不影響化合物的穩定性，無需特殊預防措施即可在室溫下無限期儲存。使用低溫1H NMR光譜確定對映體化勢壘為58.3 kJ mol?1，這大大低于使構型穩定的分子分離所需的107 kJ mol?1。作者利用量子化學計算了氧鎓離子的反轉障礙以闡明化合物的勢壘大小和反應性。
基于理論計算的指導，作者將注意力集中在含七環化合物的合成上，將二苯并西平與芳基硼酯交叉偶聯，得到了產率為67%的含聯芳基中間體，通過單晶X射線衍射研究證實了立體化合物的結構，說明了預期的oxepin環的折疊構象和原子在氧周圍的錐體排列。
實驗確定的化合物的反演勢壘與計算預測的勢壘接近。作者展示了該氧鎓離子可逆對映體反應的計算反應能分布，這表明P-(R)OA的對映體化過程包括一個高勢壘螺旋反轉和一個與七元環相關的低勢壘構象弛豫。為了研究雜原子的身份如何影響反轉勢壘，對這類氧鎓離子及其氮類似物進行了計算研究。計算得到的三芳基氧鎓離子的反轉勢壘系統地高于三芳基胺離子。對于氮類似物，反演TS結構中存在較大的孤對離域。這與對二氫二苯并西平氧鎓(ΔG?inv=117.0 kJ mol?1)和二氫二苯并西平(ΔG?inv=99.7 kJ mol?1)體系的計算一致，表明勢壘高度既取決于環結構提供的幾何約束，也取決于雜原子的同一性。
Smith, O., Popescu, M.V., Hindson, M.J. et al. Control of stereogenic oxygen in a helically chiral oxonium ion. Nature 615, 430–435 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-05719-zhttps://doi.org/10.1038/s41586-023-05719-z
