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手性是自然界的基本属性之一,与化学、生物、医药、工程等学科密切相关,产业界对手性化合物的巨大需求推动了手性科学的迅速发展。具有光学活性的α-羟基-β-二羰基化合物是一类非常重要的结构单元,催化β-二羰基化合物的不对称α-羟基化是获得该类结构简单、直接和高效的方法。首先,本文以金鸡纳碱奎宁及奎尼丁为先导有机催化剂,重点对金鸡纳碱C-2’和C-6’位进行结构修饰,制备并筛选了21种金鸡纳碱催化剂。以有机催化5-氯茚酮甲酸甲酯不对称α-羟基化为模型反应,考察催化剂结构与模型反应的构效关系。奎尼丁衍生C-2’位溴代、C-9和C-6’为羟基的QD-3催化该反应具有92%ee和98%收率;反应放大至克级仍有91%ee和96%收率。在该反应体系中,使用过氧化氢异丙苯为氧化剂,得到S构型的产物,对映选择性80%-98%ee,收率87%-99%；使用30%双氧水为氧化剂,得到R构型的产物,对映选择性36%-87%ee,收率35%-96%。该催化体系同时可实现β-酮酰胺类底物的不对称α-羟基化,产物具有38%-92%ee和51%-94%收率。本文还对反应机制进行了探讨,认为催化剂、底物、氧化剂之间的氢键作用是反应高效进行的主要原因。其次,以二氢奎宁为催化剂,实现了肼活化分子氧制备手性α-羟基-β-酮酸酯的方法,获得了55%-85%ee和67%-95%收率的a-羟基化产物。分子氧活化过程是肼在碱的作用下形成自由基正离子,与氧分子反应生成过氧化氢,最后氧化底物实现α-羟基化。最后,通过光致氧化策略,实现分子氧参与的有机-光催化β-二羰基化合物不对称a-羟基化,具有100%的原子经济性。通过对金鸡纳碱相转移催化剂的设计、合成与筛选,发现辛可宁衍生C-2’带有取代苯基的催化剂PTC 3I能够催化30种β-酮酸酯以及β-酮酰胺底物不对称α-羟基化,最高90%ee和99%收率。此外,发现N-氧化辛可宁衍生物相转移催化剂PTC-Cn-7具有易回收重复使用的性质,催化β-二羰基化合物不对称α-羟基化具有最高83%ee和99%收率。催化剂循环使用6次,产物仍有78%ee以及91%收率。本文还对光致氧化可能的机理进行了阐述,推测氧化反应经历了单线态氧过程,以及过氧化物中间体氧化过程。