Organocatalysts bestaande uit organische verbindingen zonder metaalelementen krijgen veel aandacht als next generation katalysatoren in de hoop de milieubelasting te verminderen en het hoofd te bieden aan uitputting/stijgende prijzen van zeldzame metalen. Echter, het is moeilijk voor een organokatalysator om radicale reacties met een enkel elektron met hoge reactiviteit te beheersen. Dus, reactieprocessen gemedieerd door organokatalysatoren zijn eerder beperkt. Dit belemmert de ontwikkeling en toepassing van organische synthese door het gebruik van organokatalysatoren.

N-heterocyclisch carbeen staat bekend als een organokatalysator die vrij is van metaalelementen en zijn katalytische reacties zijn actief onderzocht. Studies over N-heterocyclisch carbeen als organokatalysator begonnen met het onderzoek naar een biologische reactie waarbij het co-enzym, thiamine (vitamine B1), een thiazoliumzout. Van het enol-tussenproduct van de biologische reactie is bekend dat het reacties van enkelvoudige elektronenoverdracht op elektronenacceptoren zoals lipoamide bevordert, flavine adenine dinucleotide (FAD) en Fe ₄ S ₄ , die een belangrijke rol spelen bij oxidatiereacties. Wetenschappers werden geïnspireerd door dit biologische fenomeen en hebben N-heterocyclische carbeenkatalysatoren gesynthetiseerd die radicale reacties kunnen beheersen. Deze zijn toegepast op organische synthese. Echter, vanwege beperkingen in het aantal substraten dat voor een dergelijke katalytische reactie kan worden gebruikt, slechts een beperkt aantal organische verbindingen kon worden gesynthetiseerd. Dit heeft zeer beperkte toepassingen, bijvoorbeeld, bij het ontdekken van medicijnen.

Prof. Ohmiya en medewerkers ontwierpen op een rationele en nauwkeurige manier een N-heterocyclische carbeenkatalysator met als doel het bereik van chemische doelstoffen voor radicale reacties te verbreden. De groep vond onlangs een thiazolium-type N-heterocyclische carbeenkatalysator met een N-neopentylgroep en paste deze carbeenkatalysator toe op een radicaalreactie om een ​​dialkylketon te synthetiseren uit een alifatisch aldehyde en een alifatisch carbonzuurderivaat. Dit was voorheen een zeer moeilijke synthese. Tot dusver, een radicaalreactie met conventionele N-heterocyclische carbeenkatalysatoren zou alleen kunnen worden toegepast op aromatische aldehyden als katalytische reactiesubstraten. De hier nieuw ontwikkelde N-heterocyclische carbeenkatalysator is een veelzijdige katalysator die toepasbaar is op zowel aromatische als alifatische aldehyden, waardoor de toepassing van radicale reacties van organokatalysatoren aanzienlijk wordt uitgebreid.

De sleutel tot dit succes was hun bevinding dat de N-neopentylgroep van het thiazolium-type N-heterocyclische carbeen effectief was in de voortgang van de reactie, terwijl hun onderzoek werd uitgevoerd met volledig gebruik van organische chemie en meettechnieken. De omvang van de N-neopentylgroep bleek niet alleen effectief te zijn bij het bevorderen van een koppelingsreactie van twee verschillende radicaalsoorten die in het reactiesysteem worden gegenereerd, maar ook bij het onderdrukken van ongewenste nevenreacties.

De onderhavige katalytische reactie heeft de volgende voordelen bij de organische chemische synthese; 1) volumineuze moleculen kunnen reactiesubstraten zijn vanwege de betrokkenheid van een zeer reactief radicaal, en 2) de methode is uitstekend in termen van een breed scala aan functionele groepen en substraten, omdat de katalytische reactie onder milde omstandigheden kan worden uitgevoerd zonder dat er metaalkatalysatoren of redoxreagentia nodig zijn. Dus, het is nu mogelijk om meer dan 35 omvangrijke en complexe dialkylketonen te synthetiseren, wat vroeger erg moeilijk was. Dit maakt de synthese mogelijk van natuurlijke verbindingen en geneesmiddelen met een dialkylketonskelet uit een alifatisch aldehyde en een alifatisch carbonzuurderivaat.

In dit onderzoek, de onderzoeksgroep heeft een nieuwe organokatalysator ontworpen die radicale reacties controleert, wat de toepasbaarheid op verschillende ondergronden aanzienlijk vergroot. De studie zal naar verwachting de ontdekking van geneesmiddelen versnellen, omdat het de synthese mogelijk maakt van organische verbindingen met een hoge toegevoegde waarde die vroeger bijna onmogelijk te bereiken waren. Vanuit academisch oogpunt, de studie heeft ontwerprichtlijnen opgesteld van organokatalysatoren die radicale reacties kunnen beheersen.