自由基反应是传统有机化学领域里构筑化学键的重要方法之一，以其高活性、反映条件温和性、官能团兼容性著称。但是如何通过催化剂控制自由基反应的化学选择性、区域选择性、立体选择性，尤其是在对映异构体的选择性控制上，仍就是自由基反应的难点。为了解决这一长久以来困扰自由基化学领域充分发展的难题，波士顿学院（Boston College）的张小祥教授（Prof. X. Peter Zhang）团队提出金属自由基催化（Metalloradical catalysis, MRC）作为新的概念，并在此基础上花费多年时间设计出一套结构独特的手性催化剂——手性酰胺钴卟啉，其用来有效进行各类金属自由基不对称催化。如下图所示，这类钴卟啉催化剂D₂对称，带有四个手性酰胺基团。由于位阻作用，（A）这类催化剂手性部分不是平面构象，手性部分更接近垂直于卟啉环，形成以钴为催化活性中心的立体三维笼状结构，有效防止其催化过程生成的自由基中间体二聚淬灭；（B）手性酰胺呈现反式构形，其优点是手性基团朝内，能够更有效影响和控制发生在催化剂空腔内部的自由基反应的对映选择性。此外，不同于传统卡宾和氮宾金属络合物，由于钴卟啉不存在顺式空轨道，因而能够形成电子结构独特、高反应活性的钴碳自由基和钴氮自由基中间体。而手性酰胺能够作为氢键给体，来稳定这类自由基中间体。结果是通过氢键作用能大大提高钴碳自由基和钴氮自由的生成效率，因而提高催化过程整体活性。

基于以上催化剂设计，最近，张小祥教授（Prof. X. Peter Zhang）课题组进一步研究出一种新型的手性酰胺钴卟啉催化剂。这种新型卟啉催化剂是在原有催化剂的基础上，以共价键的形式把卟啉外围手性酰胺基团跨环连接起来，在卟啉环的上下各形成了一个闭合的桥环，从而增强了手性配体的构像稳定性，更高效进行自由基反应过程的手性诱导。此外，其构象稳定性为其带来更好的氢键作用，进一步提高催化反应活性。以催化苯乙烯的环丙烷化和氮丙环化反应为例，相比原有的非桥环闭合钴卟啉，这类桥环闭合催化剂可以更加有效的得到两个可能的镜像异构体中的一个。不仅在反应的对映选择性上，这种新型的桥环闭合钴卟啉在催化活性方面，比原有的非桥环闭合钴卟啉有显著提高。研究进一步发现，通过对桥环的大小的调节可以有效得到适应不同反应类型的高效钴卟啉催化剂。这一发现，对发展新型金属自由基不对称催化有着深远的影响。

相关结果已发表在Angewandte Chemie International Edition，郎凯博士和胡杨博士为文章的共同第一作者。其高效催化的一系列金属自由基手性催化反应将会被陆续报道。

该论文作者为：Yang Hu, Kai Lang, Jingran Tao, McKenzie K. Marshall, Qigan Cheng, Xin Cui, Lukasz Wojtas, X. Peter Zhang