手性分子和不对称分子合成

手性分子合成和手性分子发展浅谈

安徽理工大学应化08-3班金磊摘要：结合化学发展形势，手性分子在药物合成、生命科学及材料化学发展趋势中尤为突出，本文介绍了目前对手性分子的认识和目前手性分子的合成技术和方法。

关键词：手性分子；手性技术；不对称合成；不对称反应

1.概述

手性分子（chiral molecules）是指分子与镜像不能叠合，因而有左右之分，非手性分子（achiral molecules）是指分子与其镜像能够互相叠合。分子的立体结构分左右这种性质就叫做手性（chirality,handedness）。

手性分子只能在手性条件下识别。例如，认识左右手可以用分左右手的手套，识别螺丝钉用相应的螺丝帽。常用的识别手性化合物的手段是测定旋光性。一般情况下，手性化合物在液态或溶液中是有旋光度的，但也有极少数化合物的旋光度在可检测的限度之下。例如，乙基丙基丁基己基甲烷的两个对映体都已得到，但在280~580nm波长范围内无旋光性。有些非手性化合物在液晶状态下有旋光性[1]。

手性分子的合成在近年来也是发展较为迅速地研究领域之一，主要反应包括手性反应物、试剂、催化剂以及物理因素（如偏振光）等造成的手性环境，反应物的前手性部位在反应后变为手性部位时形成的立体异构体不等量，或在己有的手性部位上一对立体异构体以不同速率反应，从而形成一对立体异构不等量的产物和一对立体异构体不等量的未反应原料[2]。

2.手性技术的兴起

20世纪60年代曾发生过一起因为分子对映体引起的惨剧—“反应停悲剧”，“反应停”曾作为抑制孕妇妊娠反应的镇静剂, 在欧洲普遍使用. 但一些孕妇服用此药后, 出现多例胎儿畸变. 出生的婴儿四肢短小,外耳畸形, 胃肠不畅[3]。之后的研究发现, 消旋体“反应停”中, 只有它的（R）-异构体有镇静作用, 而它的(S)-异构体则是具有致畸作用的，惨痛的教训使人们认识到手性药物必须对它的两个异构体进行分别考察, 慎重对待。

在药物和农药中, 手性的重要性表现在不同对映异构体在生物体内会展现出不同的生理活性, 而无效或不良的对映异构体是极其有害的。而且从环境保护角度考虑, 减少不必要异构体的生产, 减少废料的排放, 已是保持环境的重要方面[4]。因此, 新药物、新农药的生产设计, 要对立体构型有更多的要求, 最好是以单一对映异构体的形式出售和使用。

在手性合成反应之前，人们用通常的方法合成不对称化合物，由于两种构型形成的机会均等，得到的产物是外消旋体，为了得到其中具有生理活性的异构体，需要利用繁杂的方法将外消旋体拆分，经过多步反应后，总的反应效率会急剧下降[2]。如果采用手性合成方法，发生催化异构反应，单一活性化合物产率将大大提高，原子经济性有很大提高。因而可认为，手性合成反应的发现使药物合成和有机合成进入了一个崭新的阶段。这类反应还广泛运用于有机化合物分子构型的测定和阐明有机化学反应的机理以及研究酶催化活性等领域，实际上大大丰富了有机化学、药物化学、有机合成化学和化学动力学，具有广泛的应用前景。

3.手性合成反应

由于我们只需要手性反应后的一种手性分子，因此手性合成反应即通过改变实验方法或实验条件而达到不对称合成的目的，大致有以下两种方法。

3.1用化学计量手性物质进行不对称合成

在手性反应物与试剂反应时，只要使形成的两种构型的概率不均等，从而达到不对称合成的目的。用手性试剂与潜手性化合物作用可制的不对称目的物，手性试剂可以在一般对称试剂中引入不对称基团而制的，其中手性试剂有烷氧基铝还原剂和手性硼试剂等。例如将（+）-α-蒎烯与二甲氧基乙烷中，于0℃发生

反应，分别生成非对称（+）-P

2H[二（(+)3-蒎烷基）硼烷]或（-）-P

2

H[（-）-

二（-）-二（3-蒎烷基）硼烷]。P

2

*BH和同一烯烃反应时，加成方向取决于不对称试剂的结构[5]。以及反应底物中手性诱导的不对称合成，在反应底物中引入一手性的辅助基团，然后使反应中形成的新手性中心上两个异构物不等量，也即生成一对非对映体，一个异构体过量，若此时将原手性辅助基团除去，则可得到一对不等量的对映体，从反应过渡态考虑选择适当的手性辅助基团，使在反应中心形成刚性的不对称环境，可获得很高的立体选择性。

3.2不对称催化反应

分为手性催化反应和酶催化不对称反应两类。用手性化合物合成不对称产物会使用大量的手性化合物，然而手性化合物较难得到，因而较为昂贵，不适合大规模生产，因此，用催化剂量的手性试剂来引起不对称反应是一种较为理想的途径。目前某些不对称催化反应其产物的e.e可达90%。有的甚至达到100%，目前反应所使用的中心金属大多为铑和铱，手性配体基本为三价磷配体。

生物酶催化反应通常是条件温和、高效，并且具有高度的立体专一性。因此，在探索不对称合成光学活性化合物时，一直没有间断进行生物催化研究早在1921年，Neuberg等用苯甲醛和乙醛在酵母的作用下发生缩合反应，生成D-（-）-乙酰基苯甲醛。内消旋化合物的对映反应选择性反应目前只有使用酶作催化剂才可能进行，酶催化是目前很活跃的研究领域之一，并且已经成功应用于生物技

术方面。将生物技术和有机合成很好地结合起来，并在更广泛的领域应用，将会进一步改善精细化学品合成的面貌。

4.手性分子发展的影响

手性技术是现代合成化学发展的必然,同时又是合成化学发展的动力。当今兴起和发展的手性技术,不单直接影响着人类的生活健康,而且对于生命科学及材料科学的研究有着极为深远的影响。生命科学的革命性飞跃,要求从分子间作用来研究问题,要在分子水平上探讨生命的复杂过程，研究手段中,人们需要有目的地合成或剪裁一些分子，如天然产物的类似物、具有新功能的改性蛋白质、遗传引入剂以及药物和农药，在这些有意义的合成或修剪中,由于生物体的基础物是手性的,所以手性技术的深远意义是显而易见的。在材料科学研究中,手性技术仍然潜在着无穷的威力[6],例如,在分子电子学和光学数据的贮存方面,已经提出了对手性纯化合物材料的需求；又例如,人们发现,从手性催化前手性单或从单一对映异构体的单体聚合得到的高聚物,具有独特的性质,可以在轻质高强度材料及液晶材料中得到应用。

手性分子的研究使得有机合成化学进入了一个崭新的阶段，大大地丰富了有机化学、药物化学、有机合成化学和化学动力学等各类化学合成方法和有机分子构型的测定，我相信随着手性分子研究的深入，我们的化学研究将会更深入的一步。