环加成反应是构建环状化合物的有效策略，而环状化合物是其他化学品的重要组成部分。在这些过程中，来自不同不饱和分子(如烯烃、炔烃或二烯)的π电子会适应，在单个步骤中形成新的环状结构。π电子是双键和三键中π键的电子。在双键中，其中一个CC键是π键，而在三键中，两个CC键是π键。
在这些反应中，π电子重新排列形成新的σ键，从而形成环状结构。例如，在[2+2+2]环加成反应中，三个各有两个π电子的组分结合形成一个六元环。
在[2+2+1]环加成反应中，两个各有两个π电子的组分与一个充当单个碳单元的附加组分结合形成一个五元环。这些反应非常高效，因为大多数反应物都转化为最终产物。虽然[2+2+2]反应已经很成熟，但使用[2+2+1]反应生产具有所需手性的化合物却具有挑战性。
在《自然合成》杂志上发表的一项研究中，东京工业大学的田中健教授领导的研究小组开发了一种铑(Rh)催化的对映选择性[2+2+1]环加成反应。该反应使用三种不同的2π组分——环烯烃、乙炔羧酸盐和末端炔烃——以极高的选择性生成手性3-亚甲基环戊-1-烯衍生物。
Tanaka表示：“分子间环加成的最终目标是利用三种不同的2π组分控制催化选择性。作为催化版本，我们开发了对映选择性分子间交叉[2+2+1]环加成的唯一例子。”
三个2π组分的[2+2+2]和[2+2+1]环加成反应。图片来源：NatureSynthesis(2024)。DOI：10.1038/s44160-024-00604-7
反应机理研究表明，首先环烯烃和炔二羧酸酯与阳离子Rh(I)催化剂配位，生成铑环戊烯中间体，然后末端炔烃与该中间体反应生成亚乙烯基中间体，随后通过还原消除步骤生成最终的环加合物，同时再生Rh(I)催化剂。
该方法的主要优势之一是它与多种底物兼容。研究人员使用氧杂苯并降冰片二烯和降冰片烯衍生物作为环烯烃、二叔丁基和二甲基乙炔二羧酸酯，以及末端炔烃，如1-十二炔、苯乙炔和硅乙炔。使用(R)-BINAP和(R)-Segphos等膦配体，他们可以仔细控制对映选择性和产率，获得3-亚甲基环戊-1-烯衍生物的E异构体，对映体过量值范围为94%至99%以上。
3-亚甲基环戊-1-烯衍生物是极其有用的构建块，可用于创建多种不同类型的分子。例如，通过向这些分子中添加氢(氢化)，研究人员生成了多环环戊烯。环氧化生成多环环氧物，可进一步转化为各种氢过氧化物、醇和醛。
这种催化方法具有生产各种各样难以合成的3D化合物的巨大潜力，为生产具有多种应用的新型化合物铺平了道路。
Tanaka表示：“目前的[2+2+1]环加成和随后的转化反应让我们能够获得原本无法获得的三维(3D)化合物，这对于药物发现研究来说很有吸引力。”