不对称催化合成

不对称催化合成
——2001年诺贝尔化学奖评述
范青华 王梅祥
（中国科学院化学研究所分子科学中心）
    瑞典皇家科学院2001年10月10日宣布，本年度诺贝尔化学奖授予三位科学家，他们是美国孟山都公司的威廉 S．诺尔斯（William S.Knowles)、日本名古屋大学的野依良治（Ryoji Noyori)和美国斯克里普斯研究所的巴里．夏普雷斯（K.Barry Sharpless)，以表彰他们在不对称催化反应研究领域取得的突出贡献。这三位科学家的成就在于找到了有机合成反应中的高效手性催化剂和立体选择性反应的方法，可以高效、方便地合成手性分子的单一异构体。他们在发展不对称催化反应方法的同时也促进了化学工业和制药工业的进展，以满足人们的健康需求。
    手性是自然界的普遍特征。构成自然界物质中的一些手性活性分子虽然从原子组成来看是一模一样，但其空间结构完全不同，它们构成了实物和镜像的关系，和人照镜子一样，也可以比作左右手的关系，所以叫手性分子。在生命的产生和演变过程中，自然界往往对一种手性有所偏爱，如自然界存在的糖为D-构型，氨基酸为L-构型，蛋白质和DNA的螺旋构象又都是右旋的。所以，当手性药物、农药等化合物作用于这个不对称的生物界时，两个异构体表现出来的生物活性往往是不同的，甚至是截然相反的。－个典型的例子是20世纪50年代末期发生在欧洲的“反应停”事件，孕妇因服用酞胺哌啶酮（俗称“反应停”）而导致海豹畸形儿的惨剧。后来研究发现，反应停药物包含的两种不同构型的光学异构体中，只有一种异构体起到了镇静的作用，而另外一种异构体则有致畸作用。因此，如何合成手性分子的单一光学异构体就成了化学研究领域的热门话题，同时也是化学家面临的巨大挑战。
    
  
2001年诺贝尔化学奖得主
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（从上到下依次为威廉Ｓ.诺尔斯，野依良治，巴里.夏普雷斯）
早在20世纪30年代，就有报道把金属负载在蚕丝上，然后催化氢化合成了具有一定光学活性的产物，但此后相当一段时间内没有取得任何进展。直到1968年，美国孟山都公司的诺尔斯应用手性麟配体与金属铑形成的络合物为催化剂，在世界上第一个发明了不对称催化氢化反应。虽然当时取得的结果并不是十分完美，研究结果也只发表在英国化学会的《化学通讯》上，但这是这一研究领域获得突破的原始创新性工作，它开创了均相不对称催化合成手性分子的先河。以这一反应为基础，20世纪70年代初诺尔斯就在孟山都公司利用不对称氢化方法实现了工业合成治疗帕金森病的L-多巴这一手性药物。这不仅仅成为了世界上第一例手性合成工业化的例子，而且更重要的是成为了不对称催化合成手性分子的一面旗帜，极大地促进了这个研究领域的发展。此后，日本的野依良治对其工作进行了创造性的发展。发明了以手性双膦BINAP为代表的配体分子，通过与合适的金属配位形成了一系列新颖高效的手性催化剂，用于不对称催化氢化反应，得到了高达100%的立体选择性，以及反应物与催化剂比高达几十万的活性，实现了不对称催化合成的高效性和实用性，将不对称催化氢化反应提高到一个很高的程度。
    夏普雷斯则是从另一个侧面发展了不对称催化反应。早在20世纪80年代初，利用C2对称的天然手性分子酒石酸与四氯化钦形成的络合物为催化剂，实现了烯烃的不对称环氧化反应，并在此后的将近10年的时间里，从实验和理论两方面对这一反应进行了改进和完善，使之成为不对称合成研究领域的又一个里程碑。此后，夏普雷斯又把不对称氧化反应拓展到不对称双羟基化反应。目前，不对称环氧化反应和双羟基化反应己成为世界上应用最为广泛的化学反应。近年来，夏普雷斯还发现了不对称催化氧化反应中的手性放大及非线性效应等新概念，在理论和实际上都具有重要意义。
    自1968年诺尔斯实现第一例不对称催化反应以来，这一研究领域已取得了巨大的进展，成千上万个手性配体分子和手性催化剂已经合成和报道，不对称催化合成已应用到几乎所有的有机反应类型中，并开始成为工业上，尤其是制药工业合成手性物质的重要方法．值得指出的是，目前不对称催化合成研究依然处在方兴未艾的发展阶段，许多与手性相关的科学问题还有待解决。相信不对称催化合成将继续成为21世纪有机化学研究的热点，并将进一步拓展到超分子化学和化学生物学的研究中，实现生物催化的人工模拟，并将在高技术领域发挥重要