中國(guó)化學(xué)家在2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域的貢獻(xiàn)

高文超，姜雪峰

①太原理工大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，太原 030024；②華東師范大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200062

2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)沖出大家熱議的mRNA技術(shù)、自由基化學(xué)、點(diǎn)擊化學(xué)、金屬有機(jī)框架材料等一眾化學(xué)相關(guān)交叉領(lǐng)域，重新回歸核心合成化學(xué)，回歸有機(jī)化學(xué)，頒給了有機(jī)小分子催化，既在意料之外，又在情理之中。

長(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)家對(duì)催化劑的認(rèn)識(shí)主要分為兩類(lèi)：金屬和酶。從2000年到2020年，有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域共獲得過(guò)四次諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)：2001年的不對(duì)稱(chēng)金屬催化、2005年的烯烴復(fù)分解、2010年的鈀催化交叉偶聯(lián)，以及2018年的酶的定向進(jìn)化。前三次均是配體與金屬的催化組合，而酶催化的研究是生物學(xué)和化學(xué)交叉研究的新興領(lǐng)域。除了如上兩類(lèi)催化劑，2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)又讓我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和肯定了第三類(lèi)催化劑——有機(jī)小分子，這類(lèi)分子也能夠以催化用量實(shí)現(xiàn)手性中心的建立。多數(shù)有機(jī)金屬絡(luò)合物催化劑對(duì)水和空氣比較敏感，反應(yīng)條件也會(huì)比較強(qiáng)烈，金屬的有限與配體的制備使催化劑的成本較高。相較于有機(jī)金屬配合物催化劑，有機(jī)小分子催化劑最大的優(yōu)點(diǎn)在于：催化反應(yīng)時(shí)反應(yīng)條件簡(jiǎn)單溫和，環(huán)境友好，催化劑相對(duì)穩(wěn)定[1]。

自然界中存在著形形色色的手性小分子，從組成生命體的氨基酸、肽、糖到核苷酸，再到具有獨(dú)特生物活性的奎寧、嗎啡、檸檬烯、薄荷醇等；化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中也在不斷創(chuàng)造出具有手性誘導(dǎo)能力的小分子，如聯(lián)二萘酚。有機(jī)小分子作為催化劑用于催化不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)最早可以追溯到20世紀(jì)初德國(guó)化學(xué)家報(bào)道的奎寧催化的氫氰酸和苯甲醛的不對(duì)稱(chēng)加成反應(yīng)[2]，但這些反應(yīng)長(zhǎng)期未受到化學(xué)家的關(guān)注。直到2000年前后，借助這些天然的或者合成的手性小分子，化學(xué)家實(shí)現(xiàn)了多種不對(duì)稱(chēng)催化轉(zhuǎn)化，如史一安等[3]巧妙地使用天然果糖衍生的手性酮催化劑實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱(chēng)環(huán)氧化，Jacobsen等[4]使用氨基酸衍生的手性硫脲實(shí)現(xiàn)了Strecker反應(yīng)，鄧力等[5]使用基于金雞納堿衍生的手性小分子完成了環(huán)狀酸酐的去對(duì)稱(chēng)化反應(yīng)，Akiyama等[6]利用手性聯(lián)萘酚衍生的磷酸催化不對(duì)稱(chēng)Mannich反應(yīng)等。其中以List等[7]利用脯氨酸催化完成的不對(duì)稱(chēng)Aldol反應(yīng)和MacMillan等[8]使用手性亞胺鹽催化的Diels-Alder反應(yīng)更引人注目：他們不但使用了簡(jiǎn)單的有機(jī)小分子形成了自然界的核心鍵型C-C鍵，而且對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的解釋?zhuān)⒆罱K將這一不對(duì)稱(chēng)催化概念統(tǒng)一為有機(jī)催化(organocatalysis)(圖1)。List和MacMillan也因此獲得2021年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

圖1 有機(jī)催化中代表開(kāi)創(chuàng)性的催化劑結(jié)構(gòu)[3-8]

當(dāng)然，盡管諾貝爾獎(jiǎng)代表世界科學(xué)的最高榮譽(yù)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也十分公正和完善，且獲獎(jiǎng)?wù)叩脑瓌?chuàng)性成果也被科學(xué)界廣泛認(rèn)可，但總會(huì)因?yàn)橥扑]人的喜好、成果重要程度以及獲獎(jiǎng)人數(shù)限制(分享人數(shù)不超過(guò)3人)等因素，使得一些具有同樣出色貢獻(xiàn)的科學(xué)家沒(méi)有被獎(jiǎng)項(xiàng)眷顧。伴隨著2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)落下帷幕，我們應(yīng)該注意到，中國(guó)化學(xué)家也曾通過(guò)巧妙的構(gòu)思設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多種手性小分子催化劑，為世界化學(xué)催化領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)。

中國(guó)學(xué)者有機(jī)小分子催化團(tuán)隊(duì)主要有兩種突破模式：一種集中于設(shè)計(jì)和合成基于某類(lèi)骨架的小分子催化劑；另一種是利用現(xiàn)有的小分子催化劑，開(kāi)辟不同分子獨(dú)特手性的構(gòu)建。如前文所述，在國(guó)外研究有機(jī)小分子催化的華人化學(xué)家中，不得不提的是史一安教授和鄧力教授。史一安教授的成名之作就是利用果糖的手性特征設(shè)計(jì)了一類(lèi)小分子——圈內(nèi)稱(chēng)這類(lèi)手性分子為“史酮”，這類(lèi)分子可方便地從果糖經(jīng)過(guò)縮酮化和醇羥基氧化兩步大量獲得，利用該類(lèi)手性酮能高選擇性地完成各種烯烴的不對(duì)稱(chēng)環(huán)氧化反應(yīng)(圖2)[9-10]。國(guó)內(nèi)知名的有機(jī)化學(xué)家馮小明院士、唐勇院士、厙學(xué)功教授以及趙寶國(guó)教授都曾在史一安教授實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)交流學(xué)習(xí)。

圖2 史一安教授代表性的不對(duì)稱(chēng)環(huán)氧化

幾乎與史一安教授同時(shí)，中國(guó)香港大學(xué)的楊丹教授也在同時(shí)期研究不對(duì)稱(chēng)環(huán)氧化，但楊丹教授所使用的催化劑是從手性聯(lián)萘酚轉(zhuǎn)化而來(lái)的(圖3)[11-12]。盡管這類(lèi)手性催化劑也能高效高選擇性地實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)環(huán)氧化過(guò)程，但相較于“史酮”催化劑，由于它們是從非天然的手性聯(lián)萘骨架得來(lái)，成本相對(duì)較高，因此在不對(duì)稱(chēng)環(huán)氧化領(lǐng)域的應(yīng)用沒(méi)有“史酮”廣泛。但該催化劑仍然奠定了楊丹教授在有機(jī)催化領(lǐng)域的地位。目前楊丹教授就職于西湖大學(xué)，集中于化學(xué)生物學(xué)的研究。

圖3 楊丹教授代表性的不對(duì)稱(chēng)環(huán)氧化

在與List和MacMillan同時(shí)期研究小分子催化的華人科學(xué)家中，鄧力教授也被公認(rèn)為有機(jī)小分子催化的引領(lǐng)者。2000年，鄧力在美國(guó)布蘭迪斯大學(xué)化學(xué)系任職時(shí)，利用金雞納堿衍生的手性小分子，實(shí)現(xiàn)了前手性環(huán)狀酸酐的去對(duì)稱(chēng)化(圖4)[5]。這類(lèi)基于金雞納堿的手性小分子，在鄧力教授接下來(lái)的工作中還實(shí)現(xiàn)了酮的氰基化反應(yīng)[13]，以及硫酚對(duì)烯酮的Michael加成反應(yīng)[14]。隨著其他研究者的積極參與，該類(lèi)催化劑在其他不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)中也發(fā)揮了優(yōu)異的手性誘導(dǎo)作用。2018年，在國(guó)外生活多年的鄧力教授接受了西湖大學(xué)的邀請(qǐng)，全職在國(guó)內(nèi)開(kāi)展科研工作。2020年，鄧力教授因在有機(jī)小分子催化領(lǐng)域中對(duì)弱鍵催化(weak-bonding catalysis)概念的建立和發(fā)展所做出的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)，獲得了有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng) “亞瑟·科普學(xué)者獎(jiǎng)”[15]。

圖4 鄧力教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所的蔣耀忠老師是我國(guó)不對(duì)稱(chēng)催化領(lǐng)域的重要開(kāi)拓者之一，我國(guó)催化領(lǐng)域的許多有國(guó)際影響力的化學(xué)家均曾師從于蔣耀忠老師，如馮小明、龔流柱、陳應(yīng)春等。目前任教于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的龔流柱教授是中國(guó)國(guó)內(nèi)本土較早進(jìn)行小分子催化的研究者之一。2003年，龔流柱教授對(duì)脯氨酸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深度優(yōu)化和改進(jìn)，在羧基末端接入羥胺結(jié)構(gòu)，使得不對(duì)稱(chēng)Aldol反應(yīng)的底物范圍變得十分廣泛，對(duì)映選擇性也大幅提高(圖5)[16]。此外，對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，還進(jìn)一步降低了催化劑的用量，在催化劑為底物摩爾用量的2%時(shí)收率和對(duì)映選擇性都得到了大幅度的提高，甚至可與金屬催化的效率相媲美[17]，這一改變使得化學(xué)家對(duì)有機(jī)小分子催化的前景更加充滿(mǎn)信心。目前龔流柱教授仍然主攻有機(jī)小分子催化，他的手性Br?nsted酸系列以及手性小分子/金屬接力催化概念依然引領(lǐng)世界[18]。

圖5 龔流柱教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

馮小明院士早期在四川大學(xué)任教時(shí)也進(jìn)行了有機(jī)小分子催化的不對(duì)稱(chēng)合成研究。2005年，利用氨基酸鈉鹽作為催化劑，馮小明課題組實(shí)現(xiàn)了酮的不對(duì)稱(chēng)氰硅化反應(yīng)(圖6)[19]。在氨基酸衍生物催化的Aldol和Mannich等反應(yīng)中，氨基酸鹽由于不存在質(zhì)子，在不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)化中的氫鍵綁定作用大大降低，往往得到的是外消旋產(chǎn)物。而在酮的氰硅化轉(zhuǎn)化中，氨基酸鈉鹽的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于氨基酸及其他鹽類(lèi)。除了氨基酸鈉鹽，后期馮小明教授還利用氨基酸衍生的胍、伯胺-仲胺催化劑等實(shí)現(xiàn)了多種不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)化，取得了優(yōu)秀的對(duì)映選擇性。然而馮小明教授在不對(duì)稱(chēng)催化領(lǐng)域最杰出的貢獻(xiàn)則是開(kāi)發(fā)出了手性N, N'-二氧化物(N, N'-dioxide)作為手性催化劑或者金屬的手性配體(被稱(chēng)為“馮氏配體”)，實(shí)現(xiàn)了多種碳-碳鍵、碳-氧鍵、碳-氮鍵、碳-氫鍵和其他碳-雜原子鍵的對(duì)映選擇性形成[20]。

圖6 馮小明教授的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化及代表性催化劑

四川大學(xué)華西藥學(xué)院的陳應(yīng)春教授，博士階段也曾師從于蔣耀忠老師，博士畢業(yè)后曾在香港大學(xué)楊丹教授課題組進(jìn)行博士后工作。2003年開(kāi)展獨(dú)立工作以來(lái)，其主要研究方向也集中于有機(jī)小分子催化，主要通過(guò)以Lewis酸堿為核心的多重綁定和活化作用進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)誘導(dǎo)。2007年，課題組利用叔胺Lewis堿和硫脲的雙氫鍵組合得到的小分子催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了插烯的不對(duì)稱(chēng)Mannich反應(yīng)，同時(shí)構(gòu)建兩個(gè)手性中心(圖7)[21]。后續(xù)的工作中，陳應(yīng)春教授還設(shè)計(jì)了基于金雞納堿的雙功能催化誘導(dǎo)的插烯Michael加成反應(yīng)，以及雙硫脲催化劑來(lái)誘導(dǎo)膦葉立德的Mannich反應(yīng)，均取得了優(yōu)異的對(duì)映選擇性。目前陳應(yīng)春教授還在不斷開(kāi)拓有機(jī)小分子與金屬/手性配體協(xié)同催化的不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)[22]。

圖7 陳應(yīng)春教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的羅三中教授也是國(guó)內(nèi)較為系統(tǒng)研究有機(jī)小分子催化的領(lǐng)軍人物之一。2006年，羅三中與導(dǎo)師程津培院士共同發(fā)展了一類(lèi)基于脯氨酸骨架的離子型有機(jī)小分子催化劑，用于酮對(duì)硝基烯烴的不對(duì)稱(chēng)Michael加成反應(yīng)，這也是他獨(dú)立科研之后發(fā)表的第一篇文章[23]。而羅三中教授在有機(jī)小分子催化領(lǐng)域里獨(dú)樹(shù)一幟的突破是他開(kāi)創(chuàng)的伯胺-叔胺雙胺催化劑。2007年，羅三中教授受DERA-Aldol酶的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一類(lèi)伯胺-叔胺雙胺催化劑，高效完成了醛和酮的不對(duì)稱(chēng)Aldol反應(yīng)(圖8)[24]。在后續(xù)的工作中，利用該類(lèi)雙胺催化劑，羅三中教授陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱(chēng)C-X成鍵、Mannich反應(yīng)、Retro-Claisen反應(yīng)等等，并結(jié)合不同種類(lèi)的金屬催化劑，突破了多種C-C鍵的構(gòu)筑[25]。

圖8 羅三中教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

2006年，游書(shū)力教授從美國(guó)回到上海有機(jī)化學(xué)研究所，開(kāi)始了自己獨(dú)立的研究工作，并在建組初期就把有機(jī)催化設(shè)定為自己團(tuán)隊(duì)的主要研究方向之一。在前期的研究工作中，利用基于聯(lián)萘骨架的手性Br?nsted酸，游書(shū)力教授先后完成了吲哚的不對(duì)稱(chēng)Friedel-Crafts反應(yīng)和Michael加成反應(yīng)(圖9)[26-27]。游書(shū)力教授在有機(jī)催化領(lǐng)域最大的貢獻(xiàn)，就是利用有機(jī)小分子的手性誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了芳香化合物的催化不對(duì)稱(chēng)去芳香化反應(yīng)(CADA)[28]，完成了諸如芳環(huán)、雜環(huán)以及雜芳環(huán)等多種結(jié)構(gòu)的去芳香化轉(zhuǎn)化，獲得了世界化學(xué)合成界的廣泛認(rèn)可。

圖9 游書(shū)力教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

氮雜卡賓(NHC)是已知較為穩(wěn)定的卡賓化合物，由于其較強(qiáng)的親核性能，可以將羰基的極性反轉(zhuǎn)，進(jìn)而完成多種轉(zhuǎn)化。畢業(yè)于上海有機(jī)化學(xué)研究所的葉松教授，自2005年起在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所成立課題組，在以氮雜卡賓(NHC)為代表的有機(jī)小分子催化領(lǐng)域開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究。針對(duì)卡賓催化劑穩(wěn)定性差、對(duì)映選擇性不高、反應(yīng)性局限等關(guān)鍵問(wèn)題，他們?cè)O(shè)計(jì)了系列大位阻側(cè)鏈卡賓催化劑及氫鍵-卡賓雙功能催化劑，以烯酮、酰氯、a, b-不飽和醛等為底物，高選擇性合成了多種手性氧雜環(huán)、氮雜環(huán)以及全碳環(huán)等生物活性化合物關(guān)鍵骨架(圖10)[29]。

圖10 葉松教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

由于硫脲結(jié)構(gòu)獨(dú)特的雙氫鍵供體作用，可以高效活化羰基官能團(tuán)，最早由Jacobsen教授引入不對(duì)稱(chēng)催化合成中用于手性中心的建立，然而它能催化的不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)較為有限。2008年，在武漢大學(xué)獨(dú)立開(kāi)展研究工作的王春江教授，進(jìn)一步改進(jìn)硫脲催化劑結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入氨基增加氫鍵供體的能力，設(shè)計(jì)了胺-硫脲小分子催化劑，用于硝基化合物的Mannich反應(yīng)[30]，取得了優(yōu)異的對(duì)映選擇性(圖11)。此外，通過(guò)對(duì)側(cè)邊臂結(jié)構(gòu)的調(diào)控，還可以誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)多種不對(duì)稱(chēng)Michael加成反應(yīng)，均能取得良好的不對(duì)稱(chēng)誘導(dǎo)效果[31]。

圖11 王春江教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

華東師范大學(xué)周劍教授曾在Benjamin List小組進(jìn)行博士后研究。2008年他回國(guó)后，主要圍繞具有四取代碳手性中心的不對(duì)稱(chēng)催化構(gòu)建開(kāi)展研究工作。其中他在2010年左右的研究，主要集中在利用有機(jī)小分子催化劑在吲哚3-位進(jìn)行手性季碳中心的構(gòu)建[32]。例如以靛紅和丙烯醛為底物，通過(guò)金雞納堿衍生物(Hatakeyama’s催化劑)催化的MBH反應(yīng)，可以高效高選擇性構(gòu)建具有季碳手性中心的3-羥基氧化吲哚[33]，獲得了系列高活性藥物骨架結(jié)構(gòu)(圖12)。

圖12 周劍教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

除上述早期的代表性工作外，2010年以后，國(guó)內(nèi)也有一些新秀課題組在有機(jī)催化領(lǐng)域做出了出色的工作。關(guān)于手性化合物的建立，2010年之前大多集中于中心手性的構(gòu)建，而對(duì)于軸手性化合物的研究卻非常有限。2012年從美國(guó)斯克普斯研究所Barbas教授實(shí)驗(yàn)室學(xué)成歸來(lái)的譚斌教授，是目前我國(guó)有機(jī)小分子催化領(lǐng)域的杰出代表之一。他加入南方科技大學(xué)之后，主要研究方向集中于利用有機(jī)小分子催化劑構(gòu)建軸手性化合物(圖13a)：利用雙酸催化策略，通過(guò)簡(jiǎn)單1, 4-二羰基化合物與芳胺發(fā)生Paal-Knorr反應(yīng)高效不對(duì)稱(chēng)構(gòu)建軸手性芳基吡咯骨架化合物[34]；利用手性Br?nsted酸作為催化劑，以簡(jiǎn)單的鄰氨基苯甲酰胺衍生物為原料，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)多樣的軸手性3-芳基喹唑啉酮的不對(duì)稱(chēng)合成[35-36]。此外，譚斌教授利用有機(jī)小分子催化劑，還開(kāi)發(fā)了多種不對(duì)稱(chēng)多組分反應(yīng)，較有代表性的工作為2018年在Science上以長(zhǎng)文形式報(bào)道了手性磷酸催化的不對(duì)稱(chēng)Ugi四組分反應(yīng)，通過(guò)將羰基化合物、胺、酸和異氰化物進(jìn)行一鍋反應(yīng)來(lái)組裝手性α-?；被０?，解決了Ugi反應(yīng)長(zhǎng)期以來(lái)立體選擇性難以控制的基礎(chǔ)性難題(圖13b)[37]。

圖13 譚斌教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化：(a)譚斌教授所合成的軸手性化合物代表；(b) 手性磷酸催化的不對(duì)稱(chēng)Ugi四組分反應(yīng)

重慶大學(xué)閆海龍教授的課題組也是在軸手性化合物的合成方面可圈可點(diǎn)的研究小組。聯(lián)烯醌(vinylidene o-quinone methide)是一類(lèi)具有高反應(yīng)活性的化合物，可通過(guò)鄰炔基萘酚在硫脲催化劑的堿性條件下通過(guò)分子內(nèi)重排產(chǎn)生(圖14)。由于該類(lèi)中間體的反應(yīng)活性和位點(diǎn)難以把控，關(guān)于該類(lèi)化合物的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)鮮有報(bào)道。閆海龍課題組以聯(lián)烯醌為反應(yīng)中間體，與炔烴發(fā)生分子內(nèi)[4+2]環(huán)加成反應(yīng)，可高選擇性構(gòu)建含有吡喃雜環(huán)的軸手性骨架[38]；與苯亞磺酰陰離子親核試劑發(fā)生加成反應(yīng)，可高選擇性構(gòu)建含磺?；N軸手性化合物[39]。

圖14 閆海龍教授的代表性有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

江蘇師范大學(xué)的石楓教授是我國(guó)有機(jī)小分子催化領(lǐng)域較為優(yōu)秀的女性科學(xué)家之一，博士期間師從于龔流柱教授。目前石楓等[40]利用較成熟的有機(jī)小分子催化劑，致力于吲哚化合物的手性合成反應(yīng)，通過(guò)開(kāi)發(fā)多種烯基吲哚、吲哚甲醇、氧化吲哚以及芳基吲哚等平臺(tái)分子，實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜手性吲哚骨架的建立(圖15)。例如，2015年，他們利用小分子手性磷酸催化劑，通過(guò)催化鄰羥基芐醇形成烯酮，并通過(guò)氫鍵綁定作用實(shí)現(xiàn)了烯基吲哚與烯酮的氧雜-Diels-Alder反應(yīng)，同時(shí)構(gòu)建三個(gè)手性中心，該轉(zhuǎn)化具有優(yōu)異的立體選擇性[41]。

圖15 石楓教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

有機(jī)小分子催化領(lǐng)域的誕生，本質(zhì)是源于化學(xué)家對(duì)酶活性中心的深入研究，對(duì)其進(jìn)行的結(jié)構(gòu)模擬和反應(yīng)機(jī)制的思考，例如List教授的脯氨酸催化的靈感就是來(lái)源于醛縮酶(Aldolase)。實(shí)際上，自然界中也存在多種其他的酶和輔酶體系，如脫羧酶、轉(zhuǎn)酮酶、轉(zhuǎn)氨酶等，其活性中心均具有手性催化誘導(dǎo)作用。目前任職于上海師范大學(xué)的趙寶國(guó)教授，模擬維生素B6的相關(guān)酶系，根據(jù)其活性中心設(shè)計(jì)了多種基于吡哆醛、吡哆胺的手性小分子催化劑，實(shí)現(xiàn)了多種高效高選擇性的不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)化[42-44]。例如，2018年趙寶國(guó)教授設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有軸手性結(jié)構(gòu)的吡哆醛催化劑，通過(guò)羰基和氫鍵的雙活化作用，高效高選擇性地實(shí)現(xiàn)了甘氨酸酯與磷酰亞胺的不對(duì)稱(chēng)Mannich反應(yīng)，這也是首個(gè)模擬維生素B6的小分子催化劑(圖16)[43]。

圖16 趙寶國(guó)教授代表性的有機(jī)催化轉(zhuǎn)化

結(jié)語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)化學(xué)尤其是催化化學(xué)一直走在世界的前列。在有機(jī)小分子催化領(lǐng)域系統(tǒng)開(kāi)展研究工作的20年間，我國(guó)眾多優(yōu)秀的有機(jī)化學(xué)家都從不同角度開(kāi)拓著這一領(lǐng)域的維度與邊界，不管是在催化劑的設(shè)計(jì)、新反應(yīng)性的開(kāi)發(fā)，還是反應(yīng)機(jī)理的探索、模型的工業(yè)應(yīng)用等方面都引領(lǐng)著世界不對(duì)稱(chēng)催化的方向。除了有機(jī)小分子催化，在不對(duì)稱(chēng)金屬催化領(lǐng)域，周其林院士的“螺環(huán)配體”、丁奎嶺院士的“SKP配體”、唐勇院士的“邊臂效應(yīng)”等引領(lǐng)世界的旗幟型研究，為全球化學(xué)學(xué)科的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。當(dāng)今的催化化學(xué)領(lǐng)域，如何進(jìn)一步效法自然，從更多的酶催化中得到啟發(fā)、抽提與升華，如何進(jìn)一步描繪有機(jī)催化和金屬催化的本質(zhì)協(xié)同關(guān)系，開(kāi)發(fā)應(yīng)用更廣、選擇性更高、催化劑用量更低的催化體系，將成為該領(lǐng)域未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。