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2020-2021

康彦彪:合成化学之美——无处不在的手性 | 2021年·第8期
发布时间:2022-10-01    3284   墨子沙龙

内容来自墨子沙龙线下活动(2021年10月),演讲者是中国科学技术大学康彦彪教授。


一年一度的诺贝尔奖在10月初又要公布了,在这之前让我们先回顾一下去年的各个诺贝尔奖项。以下是对2021年诺贝尔化学奖的解读


2021年诺贝尔化学奖授予有机合成领域,具体说是有机催化,再具体点就是不对称的有机催化。两位获奖科学家——德国马普研究所的本杰明·利斯特和普林斯顿大学的戴维·麦克米兰,都出生于1968年,一位是出生在德国的化学家,另一位是出生在英国苏格兰的化学家。


他们在美国做助理教授的时候,正好是我读研究生的时候,那时正是不对称催化(也叫手性催化)非常蓬勃发展的时期。无论国际还是国内,大量的化学家都从事这个行业,包括我自己。他们两位的工作,可以说我们读书时每天都跟踪关注。基于这个原因,他们获得诺贝尔奖,作为不对称催化合成方面的同行,我们感觉很荣幸。


1902年费歇尔研究的糖化学大概是有机化学领域第一次获诺贝尔奖。糖本身就是一个手性的分子,正是费歇尔等科学家,逐步让手性化学这个理念慢慢建立起来。1975年,诺贝尔化学奖授予专门研究立体化学的两位化学家;2001年诺贝尔化学奖第一次授予不对称催化。2021年,诺贝尔化学奖授予了不对称有机催化


化学家的任务就是创造出新的物质出来。2021年诺奖其中一位获得者本杰明·利斯特,他所做的工作就是把一种天然的氨基酸(二级胺)作为催化剂来控制分子的合成——控制分子只在上面或者只在下面,这就是手性控制。如果不关注细节的话,另一位获奖者麦克米兰的工作也非常像,他自己合成出了一个小分子做催化剂,来手性控制分子的合成。他们的工作推动了有机合成领域的发展。


关于催化

有机合成化学主要目标是合成各种化学分子,创造新物质。那么催化是做什么的?在有机合成里,催化很重要,没有催化很多事情都做不了。


现在最主要的催化还是过渡金属催化。例如,石油化工里很多东西都是通过这种催化实现的。我们国内有很多科学家做得非常漂亮,废油合成等都可以做。


还有酶催化,它是天然的。而这次获奖的领域则是有机小分子催化。诺贝尔奖宣布时,讲了大段关于酶的事情,就是想突出有机小分子的意义——这么小的分子就有可能完成那么大的酶的催化效果。实际上,有机小分子催化还不能够完全替代金属催化。这是不可能的事情,有很多反应没有办法通过有机小分子催化来实现,原理上都行不通,但是它可以起到大大的补充作用,甚至可以让很多反应变得不怕水、不怕氧,更加温和。


手性及其特点

手性其实很简单,下面这张照片是中国科大东区的木芙蓉花。大家有没有发现这两朵花有什么区别?他们好像长得一模一样,除了颜色因为反光的原因稍微不一样,其他好像一模一样。其实在这里面就有手性。这两朵花其实是不一样的:一个是左旋(逆时针旋转),一个是右旋(顺时针旋转)。



看,即便是两朵花也有左手右手的区分,这是自然界中非常普遍的现象。两只手,如果中间有一个镜面,它们是镜面对称的,但你没有办法把左手和右手完全重合,这种现象就是手性现象。



再看看达芬奇的这幅画,大家在很多地方都看到过,人体左右对称,但是人的左右手没法重叠,左脚右脚也是。但有些东西(如酒杯)是可以重叠的,太极图转个360度也能重叠,有的图案转90度或者120度就可以重叠。



即使猿猴也有左手右手,但人们对手性的认识并不是一开始就有的。在下面一幅古埃及的画里,两只手是一样的。



分子手性其实也很好理解,比方说氨基酸,大家看下面的图片。



氨基酸的基本结构是这样子的,红色的(COOH)是酸,与中间的碳(C)连起来,还有一个氢原子(H),一个取代基(R)——不同取代基就代表着不同的氨基酸,下面是氨基(NH_2)。图中的氨基酸一个是左旋的、一个是右旋的。


手性的重要性

手性分子到底重要在哪里?跟我们日常生活有什么关系?


大家吃柠檬或者橘子橙子,能闻到一股特殊的味道,它们是不一样的。柠檬里面是R型的柠檬烯,味道偏一点点柠檬味儿。当它变成S型的时候,就偏橙子味道了。这是自然界非常常见的现象。


现在好多药都是手性的,而且它们的性质有很大区别。大家用的很多药都是左手右手的混合物,如果都有效果,肯定是两个混合在一起不做区分了。但在上世纪发生过非常重要的一个事件,叫“沙利度胺事件”。妊娠反应的时候要呕吐,吃点镇静剂反应就没那么强烈了。当时沙利度胺这种药在欧洲获批了,在美国没获批。后来发现,很多小孩有残疾现象。再后来科学家发现,这是由于不同手性的沙利度胺分子有不同的性质。右手的是镇定剂,可以抑制妊娠反应,而左手的就可以导致畸形。



在自然界有一个很神奇的现象,物质几乎都是以单一的某种构型存在的,这就牵扯手性起源的问题了。为什么天然的糖是D型的,天然的氨基酸是R型的?连星系的旋转,都是有特定方向的。甚至有人戏称:上帝是左撇子。



作者简介

康彦彪中国科学技术大学教授,博士生导师。长期致力于独具特色的前沿和应用兼顾的基础研究,主要从事烃类的选择性清洁氧化研究。


演讲者:康彦彪;演讲时间:2021年10月

文字整理:zkq;审读:wj

排版:dar