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手性是自然界的一種基本結(jié)構(gòu)屬性，而生命體都是單一手性的，這就要求與生命健康息息相關(guān)的藥物分子具有特定的立體結(jié)構(gòu)。手性分子的精準構(gòu)筑一直是合成化學研究前沿，也逐漸成為跨越生物、醫(yī)藥、材料、信息等多學科領(lǐng)域的關(guān)鍵物質(zhì)構(gòu)筑難題。近20年來，有三次諾貝爾化學獎授予了與手性分子合成相關(guān)的研究。傳統(tǒng)上，對手性分子消旋體（含一對鏡像異構(gòu)體）的拆分是獲得光學純分子（單一鏡像異構(gòu)體）的直接方法。從1848年巴斯德利用顯微鏡加鑷子分離酒石酸以來，人們發(fā)展了包括物理拆分、化學拆分和生物拆分等多種消旋體拆分策略。但在拆分過程中，目標手性分子的理論得率只有50%。最理想、最直接的合成方法，莫過于將外消旋體直接轉(zhuǎn)化為該物質(zhì)相應(yīng)的光學純化合物，以100%得率獲得目標手性分子，這一過程被稱為去消旋化反應(yīng) （圖1左）。然而這一理想路徑屬于熵減過程，也與動力學微觀可逆原理相悖。如何打破熱力學和動力學壁壘，發(fā)展高效去消旋化策略，是手性合成一個挑戰(zhàn)性難題。

圖1.去消旋化反應(yīng)

2011年，羅三中課題組利用所發(fā)展的仿生伯胺催化體系，發(fā)展了首例不對稱烯胺質(zhì)子化反應(yīng)，實現(xiàn)了對最小的原子—質(zhì)子的立體選擇性遷移調(diào)控，該體系演化的終極目標即是簡單醛酮的去消旋化。經(jīng)不斷探索，該課題組將仿生伯胺催化與可見光催化創(chuàng)造性聯(lián)動，成功實現(xiàn)了α-芳基醛的高選擇性去消旋化反應(yīng)（圖1右）。該反應(yīng)體系簡單，條件溫和，能夠在一小時內(nèi)達到光平衡，實現(xiàn)高效去消旋化。在底物骨架上修飾吸電子基、給電子基、烷基、極性官能團、天然產(chǎn)物片段、雜環(huán)等均可以獲得優(yōu)秀的反應(yīng)效果，展現(xiàn)出良好的底物適用性；反應(yīng)能夠被放大到克量級，成功應(yīng)用于合成一系列非甾體手性抗炎藥物。

該團隊通過系統(tǒng)深入的實驗分析和理論計算，厘清了去消旋化的機理，提出了去消旋化手性合成的全新路徑（圖2）：在S-構(gòu)型手性伯胺催化下，S-醛優(yōu)先與催化劑形成E-烯胺，隨后被光異構(gòu)化生成Z-烯胺，后者快速水解質(zhì)子化生成R-醛。構(gòu)型匹配的S-醛不斷被消耗，不匹配的R-醛不斷富集，從而實現(xiàn)了去消旋化。在此過程中，光異構(gòu)化提供了去消旋化反應(yīng)的驅(qū)動力，適當?shù)谋郊姿崽砑觿┱{(diào)節(jié)了達到平衡的速率，伯胺催化劑的立體專一性保證了產(chǎn)物的高對映選擇性。

圖2.去消旋化反應(yīng)機理

2月25日，該研究工作以“基于烯胺光促E/Z互變的去消旋化反應(yīng)“（Deracemization through photochemical E/Z isomerization of enamines）為題發(fā)表在《科學》（Science）期刊上。

清華大學化學系2017級博士生黃謀新和張龍副研究員為共同第一作者，羅三中教授為通訊作者，2019級本科生潘畑潤參與了實驗工作。

該工作得到了國家自然科學基金、清華大學自主科研計劃和物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實驗室的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abl4922