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2021年诺贝尔化学奖成果与高考化学复习《手性的控制-不对称有机催化》

手性和手性化学

手性现象广泛存在于自然界中，地球生命中的手性现象就是一个永恒的话题。

动植物的生命起源本身与手性密切相关，它是控制生物体内生物大分子，如核酸、蛋

白质、碳水化合物和无数生物小分子等活性的基本要素之一。

手性“”是微观小分子和宏观物质的一种基本属性，就像人们的左右手，互为镜像异构

体，但是左手与右手无法相互重叠。

左右手的镜像异构现象（镜像不能重叠）

所有手性分子和物体中，只要它们不能与其镜像重叠，就会有手性特征。

大多数情况下，手性分子和物体没有对称中心，也没有对称面。有少数例外情况，如

无对称面但是有对称中心，因此没有手性。

无对称面有对称中心/无手性（镜像可以重叠）

迄今为止，已经发现的主要手性类型有：中心手性、轴手性、螺环手性、双平面手

性、刚性多面手性（如螺烯手性）和柔性多面手性（如折叠手性）。其中，中心手性、面

手性和螺环手性在自然界中存在较为广泛。

手性合成也称为不对称合成，是化学合成中手性控制的核心部分。它也是合成手性材

料不可或缺的工具，可以控制选择生成各种各样的手性化合物和物质。

手性药物在现有临床药物中占60%以上，农药中手性化合物的占比也在逐年增加。

手性材料，尤其是光电材料，应用性非常广阔，包括高清晰的3D显示、光学探测、

光数据存储/加密、光学识别传感器等。

同时，它们在生物标记、病理检测，尤其是在疾病的早期临床检测等方面具有广泛应

用。

不对称合成化学控制手性主要通过4个途径：手性辅基底物、手性试剂（当量使

用）、手性催化剂以及手性催化剂和手性环境（如手性溶剂）。

其中，手性催化剂控制的不对称合成是最具有挑战性的。由于其具有手性放大的效

果，也是合成手性化合物最高效的途径之一。

手性催化和催化剂

与普通催化剂一样，大多数手性催化剂是通过降低化学反应过渡态的自由能（能垒）

使反应加速进行。

关键区别在于，手性催化剂可使反应朝有利于与催化剂手性相匹配的镜像异构体生成

方向进行，从而达到控制手性的目的。

手性催化/催化剂可分为生物催化（如酶，DNA/RNA催化）和化学催化（金属和非金

属催化）两大类。

2021年诺贝尔化学奖主题——手性有机催化属于化学催化中的非金属催化。

不对称催化和催化剂的分类总结

（红色标记为2021年的诺奖工作）

手性有机催化剂主要分为酸性有机催化剂（如质子-Brønsted酸）和碱性有机催化剂

（如氮杂环卡宾，含氮的胺类和含磷、硫的化合物），也可以称之为Lewis酸和Lewis碱

两类。带正离子的质子广义上也可归纳为Lewis酸，因为它们可以接受孤对电子的化学物

种。

以上催化剂均存在优缺点，但它们可以进行互补。生物催化的立体选择性强，但底物

范围窄，并且通常只能生产1种对映体，有时生物体系的催化条件要求苛刻。化学催化的

底物范围宽，但有时立体选择性控制难度大，并且立体选择性随着底物的改变而改变很

多。另外，金属催化的产物中会掺杂金属杂质，有时难以去除。

正是因为诸如此类的多种原因，使科学家始终在寻找各种更好的手性催化剂。

胺类手性有机催化剂基于一级、二级胺（如脯氨酸）和三级胺（如奎宁），它们在反

应之初，都是通过亲核功能来进行催化的。

BenjaminList、DavidMacMillan早期工作（也是他们获奖的工作）主要基于二级

胺，反应底物需要有缺电子原子，如羰基碳（C=O）的存在。

多数胺催化的反应，其过程中产生的手性中间体（中性亚胺、烯胺和带正电荷的亚

胺）是不对称催化反应成功的关键。

有机小分子催化

绿“色化学”已经成为新世纪化学追求的主要方向之一，其核心思想是消除污染源头。

顺应这一发展趋势，本次诺贝尔化学奖青睐绿色有机催化领域。

酸与碱广泛存在于大自然中，对人们的生产生活有着极其重要的意义。例如，生命体

中酶催化活性中心的催化基团作为质子供体或受体参与催化，酶催化几乎都存在酸碱催化

机制。

尽管20世纪就有人提出并开展过有机催化和有机小分子催化的类似概念和工作，但

是BenjaminList、DavidMacMillan在有机小分子催化方面的突破性进展、有机催化概念

的明确提出、对领域