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手性催化研究的新进展与展望

手性催化研究的新进展与展望

丁奎岭1,*范青华2

1中国科学院上海有机化学研究所，上海200032

2中国科学院化学研究所，北京100190

手性是自然界的基本属性之一，与生命休戚相关。近年来，人们对单一手性化合物（如手性医药和农药等）及手性功能材料的需求推动了手性科学的蓬勃发展。手性物质的获得，除了来自天然以外，人工合成是主要的途径。外消旋体拆分、底物诱导的手性合成和手性催化合成是获得手性物质的三种方法，其中，手性催化是最有效的方法，因为他能够实现手性增殖。一个高效的手性催化剂分子可以诱导产生成千上万乃至上百万个手性产物分子，达到甚至超过了酶催化的水平。2001年，诺贝尔化学奖授予了三位从事手性催化研究的科学家Knowles、Noyori 和Sharpless，以表彰他们在手性催化氢化和氧化方面做出的开拓性贡献，同时也彰显了这个领域的重要性以及对相关领域如药物、新材料等产生的深远影响。

我国对于手性催化合成的研究始于上世纪80年代，从90年代逐渐引起重视。1995年戴立信、陆熙炎和朱光美先生曾撰文呼吁我国应对手性技术特别是手性催化技术的研究给予重视[1]。国家自然科学基金委员会九五和十五期间分别组织了“手性药物的化学与生物学研究”（戴立信院士和黄量院士主持）[2]、“手性与手性药物研究中的若干科学问题研究”（林国强院士主持）[3]重大研究项目，同时中国科学院和教育部等也对手性科学与技术的研究给予了重点支持，极大地推动了我国手性科学和技术领域特别是在手性催化领域的发展，取得了一批在国际上有较大影响的研究成果，并培养了一支优秀的研究队伍，在手性催化研究领域开始在国际上占有一席之地。

本文结合国际上手性催化研究的最新进展，主要回顾了我国科学家近年来在新型手性配体、金属配合物手性催化、生物手性催化、有机小分子手性催化、负载手性催化剂、以及新概念与新方法等方面取得的重要研究进展[4]，并展望了手性催化的未来发展趋势。

一、新型手性配体的设计合成

手性配体和手性催化剂是手性催化合成领域的核心，事实上手性催化合成的每一次突破性进展总是与新型手性配体及其催化剂的出现密切相关。2003年，美国哈佛大学Jacobsen在美国《Science》杂志的视点栏目上发表论文，对2002年以前发展的为数众多的手性配体及催化剂进行了评述，共归纳出八种类型的“优势手性配体和催化剂（Privileged chiral ligands and catalysts）”[5]。例如：2001年诺贝尔奖获得者Noyori发展的BINAP系列手性催化剂就是其中一例。BINAP与金属铑和钌形成的配合物已被证明是许多前

手性烯烃和酮的高效催化剂，其中，BINAP的钌-双膦/双胺催化剂成功地解决了简单芳基酮的高效、高选择性氢化，催化剂的TOF高达60次/秒（即一个催化剂分子每秒可以催化转化60个底物分子），TON高达230万（即一个催化剂分子总共可以催化转化230万个底物分子），是目前最高效的手性催化剂体系[6]。

尽管已经有成百上千的优秀手性配体被合成出来，但没有任何一种配体或催化剂是通用的，因此新型手性配体的设计合成是手性催化研究中的永恒主题。近年来，在膦配体、氮膦配体、含氮配体、含硫配体、卡宾配体、以及二烯烃配体等的设计合成方面又取得了新的重要进展。例如：Pfaltz等人在Crabtree催化剂的基础上，将手性膦配体和手性氮配体结合起来，发展了一类新型的手性膦氮配体（如PHOX[7]），其铱配合物是目前唯一的能够高对映选择性催化氢化非官能化烯烃的手性金属催化剂体系。最近，他们利用这类手性铱催化剂成功实现了全烷基取代的非官能化烯烃的不对称氢化反应，并将其应用到维他命E主要成分的手性全合成上[8]。又如张绪穆等基于Toolbox策略，发展了系列新型手性膦配体，并成功应用于多类底物的不对称氢化反应[9]。

近十年来，我国科学家在手性配体的设计与合成研究中也取得了十分出色的成绩，这里仅简要介绍一些代表性的例子。1997年，陈新滋和蒋耀忠等报道了基于螺环骨架的手性双亚膦酸酯配体（SpirOP）[10]，并成功应用于铑催化的脱氢氨基酸衍生物的不对称氢化，这是我国第一个具有自主知识产权的手性配体及催化剂。陈新滋等还发展了含有联吡啶骨架的手性双膦配体（P-Phos），在催化氢化中P-Phos显示了与BINAP 相媲美的催化性能，而且具有良好的空气稳定性，因此更适用于工业化生产[11]。周其林等基于螺二氢茚骨架设计合成了包括手性膦、氮膦和噁唑啉等在内的系列新型手性配体（如SDP）[12]，并成功应用于多种过渡金属催化的不对称反应，该类螺环手性配体也逐渐形成一类“优势手性配体”[13]。戴立信和侯雪龙等报道的系列二茂铁手性配体SiocPhos在不对称烯丙基取代及Heck等反应中取得了优异的区域选择性、非对映和对映选择性[14]。丁奎岭等发展了一系列具有C2 对称性骨架的手性单磷配体（如DpenPhos），并在铑催化的烯烃氢化反应中取得了很好的结果[15]。最近，他们还发展了基于新型螺环骨架的手性膦氮配体（SpinPHOX），其在前手性亚胺，尤其是烷基亚胺的催化氢化中显示了十分优异的对映选择性[16]。郑卓等设计合成了系列非对称性手性膦-亚磷酰胺酯配体，发现其在铑催化的a-烯醇酯磷酸酯的氢化反应中显示优异的对映选择性[17]。唐勇等设计合成了假C3对称的三噁唑啉配体（如TOX），在多类催化反应中，该类配体表现出优于双噁唑啉配体的催化性能，他们并提出了用“边臂效应”来指导进一步的催化剂设计与合成[18]。最近，林国强和徐明华等报道的新型双烯配体在铑催化的硼酸酯对磺酰亚胺的加成反应取得了很好的结果[19]，该配体合成方便，具有潜在的工业应用价值。

图1.我国科学家发展的一些代表性新型手性配体

二、金属配合物手性催化反应的新发展

迄今为止，已经实现的手性催化反应只占到全部发现的有机反应中的绝少一部分，即使对于比较成熟的手性催化氢化和氧化反应来说，仍然还存在许多有待解决的问题。而对于手性催化碳-碳键形成反应，缺乏高效的手性催化剂或催化剂的效率低是一个普遍性的问题。近年来，各国科学家通过新型配体的设计，发展了新的手性催化体系，在金属配合物手性催化反应中取得了一系列重要进展。例如：Yamamoto等人以金属配合物作为路易斯酸催化剂在手性催化反应中取得了很好的结果，并提出组合酸催化剂的概念[20]。Shibasaki等人发展了手性联二萘酚及其衍生物的杂双金属配合物、或含有稀土金属的多金属中心配合物催化剂，在多类手性催化反应中取得了十分优异的对映选择性，其中在一些体系中催化剂的用量可以降低