Organokatalysatorer som består av organiska föreningar utan metallelement får stor uppmärksamhet som nästa generations katalysatorer i hopp om att minska miljöbelastningen och klara av utmattning/stigande priser på sällsynta metaller. Dock, det är svårt för en organokatalysator att kontrollera radikala reaktioner som involverar en enda elektron med hög reaktivitet. Således, reaktionsprocesser som förmedlas av organokatalysatorer är ganska begränsade. Detta hindrar utvecklingen och tillämpningen av organisk syntes genom användning av organokatalysatorer.

N-heterocyklisk karben är känd som en organokatalysator fri från metallelement och dess katalytiska reaktioner har aktivt undersökts. Studier av N-heterocyklisk karben som organokatalysator började med undersökningen av en biologisk reaktion som involverar koenzymet, tiamin (vitamin B1), ett tiazoliumsalt. Enol-mellanprodukten i den biologiska reaktionen är känd för att främja reaktioner av enkelelektronöverföring till elektronacceptorer såsom lipoamid, flavinadenindinukleotid (FAD) och Fe ₄ S ₄ , som spelar viktiga roller i oxidationsreaktioner. Forskare inspirerades av detta biologiska fenomen och har syntetiserat N-heterocykliska karbenkatalysatorer som kan kontrollera radikala reaktioner. Dessa har tillämpats på organisk syntes. Dock, på grund av begränsningar i antalet substrat som kan användas för en sådan katalytisk reaktion, endast ett smalt urval av organiska föreningar kunde syntetiseras. Detta har starkt begränsade tillämpningar, till exempel, i drogupptäckten.

Prof. Ohmiya och medarbetare designade en N-heterocyklisk karbenkatalysator på ett rationellt och exakt sätt i syfte att bredda utbudet av målkemiska ämnen för radikala reaktioner. Gruppen hittade nyligen en N-heterocyklisk karbenkatalysator av tiazoliumtyp med en N-neopentylgrupp och applicerade denna karbenkatalysator på en radikalreaktion för att syntetisera en dialkylketon från en alifatisk aldehyd och ett alifatiskt karboxylsyraderivat. Detta var tidigare en mycket svår syntes. Än så länge, en radikalreaktion med användning av konventionella N-heterocykliska karbenkatalysatorer kan endast appliceras på aromatiska aldehyder som katalytiska reaktionssubstrat. Den N-heterocykliska karbenkatalysatorn som nyligen utvecklats här är en mångsidig katalysator som kan användas för både aromatiska och alifatiska aldehyder, således avsevärt utvidga tillämpningen av radikala reaktioner av organokatalysatorer.

Nyckeln till denna framgång var deras upptäckt att N-neopentylgruppen i den N-heterocykliska karbenen av tiazoliumtyp var effektiv i reaktionens framsteg, medan deras studie genomfördes med full användning av organisk kemi och mättekniker. N-neopentylgruppens skrymmande befanns vara effektiv inte bara för att befrämja en kopplingsreaktion av två olika radikalspecies genererade i reaktionssystemet utan också för att undertrycka oönskade sidoreaktioner.

Föreliggande katalytiska reaktion har följande fördelar vid organisk kemisk syntes; 1) skrymmande molekyler kan vara reaktionssubstrat på grund av involvering av en mycket reaktiv radikal, och 2) metoden är utmärkt när det gäller ett brett utbud av funktionella grupper och substrat, eftersom den katalytiska reaktionen kan utföras under milda förhållanden utan behov av metallkatalysatorer eller redoxreagens. Således, det är nu möjligt att syntetisera mer än 35 skrymmande och komplexa dialkylketoner, vilket tidigare var mycket svårt. Detta möjliggör syntes av naturliga föreningar och läkemedel med en dialkylketonryggrad från en alifatisk aldehyd och ett alifatiskt karboxylsyraderivat.

I den här studien, forskargruppen har designat en ny organokatalysator som kontrollerar radikala reaktioner, vilket avsevärt breddar användbarheten på olika substrat. Studien förväntas påskynda upptäckten av läkemedel, eftersom det möjliggör syntes av organiska föreningar med högt mervärde som tidigare var nästan omöjligt att uppnå. Ur akademisk synvinkel, studien har fastställt designriktlinjer för organokatalysatorer som kan kontrollera radikala reaktioner.