手性催化带来化学工业新变革 手性化合物特别是手性药物多年来一直是化学和药物学的研究热
手性化合物特别是手性药物多年来一直是化学和药物学的研究热点。目前，手性催化技术已涉及手性药物等生物活性化合物以及各种精细化学品、中间体和通用性大宗化学品等领域。据预测，未来3年内手性技术的全球市场将以每年10%的速度发展，2004年将达到30亿美元。 手性分子以对映体和光学异构体两种形式出现，彼此互为镜象对
手性分子以对映体和光学异构体两种形式出现，彼此互为镜象对映。由于每个对映体上的原子具有不同的空间位置，左右两侧的分子尽管分子式相同，但功能性和活性不同。一些品种药物的分子多是外消旋结构，即两种异构体的混合物，其中一种异构体是有效的，另一种则是无效的。利用手性催化剂进行催化非对称合成，可以从外消旋化合物中将所需的异构体分离出来，也可以直接生产对映体中的一种异构体。一个单独的手性催化分子可以通过立体选择引发生成数百万个手性产物分子，此反应具有极高的生产效率和经济价值。一、拓宽碳水化合物应用领域 对于化学中间体生产来说，利用碳水化合物基原料资源比传统的
对于化学中间体生产来说，利用碳水化合物基原料资源比传统的石油化工资源有更大优越性，特别是在药品开发生产中，碳水化合物以具有较高的官能度和手性占优势。碳水化合物分布广、纯度高，这有利于在某些应用中取代或补充石油化工产品。碳水化合物技术取得进展，可能进一步扩大化学中间体的产品系列，甚至制出一些用传统石油化学方法难以得到的品种。但碳水化合物结构复杂，这就需要开发具有较高选择性的核心化合物；另一问题是生产和规模的放大有困难，需要依靠先进的化学工程技术（如手性催化）来降低工业化成本。 1.优势
1.优势 碳水化合物包括淀粉、纤维素、乳糖和果糖等，是非常容易获得
碳水化合物包括淀粉、纤维素、乳糖和果糖等，是非常容易获得的丰富原料。这些原料都可以用成熟的工艺方法制备，每年工业产量可达数万吨。 成本是生产中考虑的关键因素，在这方面碳水化合物有着决定性
成本是生产中考虑的关键因素，在这方面碳水化合物有着决定性的优势，比如纤维素和乳糖等碳水化合物都比原油便宜。有些碳水化合物原料，如从玉米、甘蔗和甜菜加工中得到的半纤维素或是水生贝壳类动物的几丁质等都是廉价的原料。 世界上没有一个国家能从战略上控制碳水化合物资源，它不会遭
世界上没有一个国家能从战略上控制碳水化合物资源，它不会遭遇类似石油危机带来的风险。而且碳水化合物是可再生资源，取之不尽，用之不竭。 从化学观点看，碳水化合物与石油相比有以下优势：一是功能度，
从化学观点看，碳水化合物与石油相比有以下优势：一是功能度，这决定化学物质的反应能力。石油的功能度甚低，而碳水化合物中所有天然分子的功能团的密度非常高，因而有很高的功能度；二从化学特性考虑，碳水化合物的主要化学属性是手性或称为光学活性，这是石油原料所不具备的。要将矿物燃料衍生的化学原料转变为光学活性状态必须经过多次化学转换。事实上，碳水化合物拥有所有已知分子的手性中心密度也非常高，同时具有非平行光学完整性。碳水化合物在水中溶解度高是另一优势。因为水是最常用的溶剂，而且从“绿色化学”观念看，这是非常可贵的，它可开辟用生物和生物化学方法，利用酶或其他微生物进行加工的新途径。 2.问题
2.问题 碳水化合物具有各种取代形式和功能度，每种碳水化合物分子都
碳水化合物具有各种取代形式和功能度，每种碳水化合物分子都含有很多信息，结构上有很多细微不同之处。面临的挑战就是用一种易于工程化的工艺高产率地去掉其功能度，这需要一种类似石油化工中的裂解反应，以产生几种简单分子，作为进一步化学加工的基础。多数碳水化合物化学研究的目的是将一种碳水化合物原料进行一次性转换，生成结构相近的分子。 另外，将碳水化合物（如葡萄糖）转变为有用的衍生物，或选择
另外，将碳水化合物（如葡萄糖）转变为有用的衍生物，或选择性地转移多数手性中心，将一种碳水化合物转变为有普遍应用价值的基础分子都是有价值的探索途径。 现在已利用手性技术开发了从四环糖（如淀粉、麦芽糖、乳糖和
现在已利用手性技术开发了从四环糖（如淀粉、麦芽糖、乳糖和麦芽糊精）生产（s）-3-羟基-γ－丁内酯的工业化方法，该工艺是将碳水化合物在一种碱和过氧化物存在下直接进行氧化降解。（s）-内酯的原料是D-己糖。最近开发的(R)-内酯生产路线可以简单地将S-异构物中的C1和C4进行切换。目前又开发了从甜菜浆和玉米磨出干料中得到L-戊糖的工艺。 3、前进的道路
3、前进的道路 由碳水化合物可方便地生产3-羟基丁内酰胺并保持其光学纯
由碳水化合物可方便地生产3-羟基丁内酰胺并保持其光学纯度，这是以矿物燃料为基础的生产方法难以做到的。新的方法极有开发前景，它并非与石油化学品竞争，而是与之协同发展。由技术路线可以看到，从几种核心分子如3-羟基-γ－丁内酯可以衍生出多种不同的化合物，这与石油化学模式相似。 这些中间体的扩大生产目前已取得很多成就，使许多新的化合物
这些中间体的扩大生产目前已取得很多成就，使许多新的化合物能够以较低成本进行大批量生产。这当中，设计并建设专门生产装置是关键。这些新型中间体的应用将剌激产品开发，开拓市场,扩大生产机遇，提高工艺过程集成度。 石油化学工业的一个特点是产品和工艺的“集装箱式组合”
石油化学工业的一个特点是产品和工艺的“集装箱式组合”（piggy-baching），它的各种副产物的工业化应用是提高效益的途径。同样，葡萄糖基化学也能综合集成各种工艺，特别是在利用生物质生产的情况之下。 应用手性技术建立一种适用的化学技术平台是可能的，使之可用
应用手性技术建立一种适用的化学技术平台是可能的，使之可用于新化合物和新材料的开发。葡萄糖基资源进行化学加工可以生产很多不同的产品，新分子是取得成效的关键，人们期待新分子的不断出现和工业化。二、手性化学品的合成 环氧丁烯（EpB）是四碳分子，可以迅速地生产过去要通过乙炔
环氧丁烯（EpB）是四碳分子，可以迅速地生产过去要通过乙炔和甲醛合成制取的各种产品。EpB是一种很有应用潜力的有机中间体，但因生产费用极高，一直没有工业应用。伊士曼化学开发了丁二烯连续催化环氧化生产工艺，使EpB工业生产经济可行。在EpB中，每个碳原子的化学能位都不相等，可以分别或同时对环氧和乙烯基团进行改性，形成烯烃和环氧基的共轭排列。由于EpB单异构体的手性不稳定，在多数反应条件下会发生消旋作用，因此要有效地对消旋EpB进行非对称转变，使之成为有用的手性产品。将EpB技术与钯丙烯基取代技术进行组合，可以制备一系列手性产品，都具有很高的对映结构性纯度。 为了提高合成效率，制备更多基础性手性化合物，科研工作者开
为了提高合成效率，制备更多基础性手性化合物，科研工作者开发了多种N-亲核反应和O-亲核反应，并进行了放大试验，取得一定成果。三、手性催化剂的制备 铂属金属（PGMs）催化剂在手性催化中显示出突出的特性。1996
铂属金属（PGMs）催化剂在手性催化中显示出突出的特性。1996年，Ryoji Noyori教授发表了用可溶性金属混合物作为均相非对称催化剂的论文。自此以后，出现了数以千计的有关高效率、对映选择性高的非均相催化反应报道，其中多数是应用PGMs如铑、钌、铱或钯与膦配位体组合。在有机反应中已经合成和应用的手性膦配位体超过1000种。这些反应包括C=C、C=O、C=N加氢，C-C偶联，丙烯基烷基化，环丙烷化，甲酰化和羰基化等。 虽然手性配位体有很多种，但是在对映选择反应中应用最多的是
虽然手性配位体有很多种，但是在对映选择反应中应用最多的是手性二齿膦配位体。大量配位体取代基（如苯基）相对固定的处于所需空间位置是取得高对映体选择性的先决条件。 最佳手性催化剂的另一个特点是C2的对称性，这可使基质能遇
最佳手性催化剂的另一个特点是C2的对称性，这可使基质能遇到同等的手性环境，催化性能与活性金属中心的方向无关。手性基团可以在配位体的磷原子或碳骨架上，一般来说，手性基在活性金属中心时催化剂具有最好的对映选择性。用于与PGMs形成活性手性催化剂的手性膦化合物有DIOP、DiPAMP、 BINAP、 CARBOPHOS、 BPE、 CHIRAPHOS和PENNPHOS等。 1.就地产生催化剂
1.就地产生催化剂 双膦分子与PGMs可快速、定量地进行整合连接。因为当向确定
双膦分子与PGMs可快速、定量地进行整合连接。因为当向确定的PGMs前驱络合物溶液中加入手性配位体时，即会产生有效的催化剂，所以溶液可以直接用于催化所需要的化学反应。这种催化反应最大优点是就地反应，不需要将某一种铂属金属手性膦络合物进行分离和纯化。 2.手性PGMs催化剂
2.手性PGMs催化剂 在所有非对称反应中，研究最多的是烯烃加氢。Ir和Ru络合物
在所有非对称反应中，研究最多的是烯烃加氢。Ir和Ru络合物已被应用，手性Rh催化剂应用领域也很广。钌双膦络合物，特别是BINAP和DuPHOS对许多加氢反应来说是很有效的催化剂，它们可在非常温和的条件下反应：压力1×105～50×105Pa，温度50℃以下（一般为25～30℃），主要溶剂为甲醇。阴离子配位体与钌接触对催化反应性和选择性有很大影响。 醋酸基络合物如Ru(OAc)2、BINAP等是选择加氢催化剂，用于在
醋酸基络合物如Ru(OAc)2、BINAP等是选择加氢催化剂，用于在酮酯、烯胺和醇中α、β位上碳碳双键的加氩。含氯络合物RuCl2BINAP是在α、β、γ酮酯中的活化羰基和1，2-二硐进行选择加氩反应的最佳催化剂。 除了RuBINAP催化剂在羰基反应上显示出的良好性能外，含有铑
除了RuBINAP催化剂在羰基反应上显示出的良好性能外，含有铑的手性双膦螯合配位体也具有很高的选择性和加氢活性。而且许多PGMs络合物，特别是铑在加氢硅烷化、异构化、甲酰化、羰基化、环丙烷化和C-H插入等方面都是有效的非对称催化剂。（朱曾惠 编译）