我国科研团队新纪录：有机小分子催化达百万次
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2024-08-15
近期，西湖大学副校长邓力的研究小组在《JACS(美国化学会志)》发表了一篇题为《Practical Synthesis of Chiral α-Aminophosphonates with Weak Bonding Organocatalysis at ppm Loading（ppm级不对称弱键有机催化合成α-氨基膦酸酯）》的封面文章。该团队借鉴酶的催化机制，以弱键作为主要驱动力开发了一种高效的催化方法。
1个催化剂分子，完成100万次催化，其转化数（TON）达到1:1000000。此项成就不仅刷新了有机小分子催化领域的最高记录，还使其催化效能与自然界中的酶相提并论。
地球生命的能量来自催化过程，生命活动本身也依赖酶的高效催化。例如，在非酸非碱环境下，一个蛋白质断裂其一半的肽键大约需要500年，而酶解开一个肽键仅需几纳秒。
上世纪末，有机小分子催化开始崭露头角。与传统金属有机催化剂相比，这种催化方式具有显著的优势，包括对氧气和水的不敏感性、原料的易获取性、成本低、易于储存、较低的毒性等。其中，不对称有机催化通过精确控制反应过程，确保产物只在一种空间构型上发生，从而仅产生需要的产物。不对称有机催化主要有共价催化和弱键催化两种模式。
低催化效率是限制有机催化领域进步的主要障碍，也是该领域面临的一大科学挑战。探索是否能够借鉴生物酶的催化机制，开发出新一代有机小分子催化剂，以实现与酶催化相媲美的效率，同时保持对底物的广泛适用性，是有机催化领域理论发展和在合成化学中应用的关键问题。邓力团队专注于弱键催化。这是因为在自然界中，包括人体中的酶，常通过多种弱键协同作用来激发催化反应，并精确控制反应结果。
邓力团队研发手性季铵盐有机小分子催化剂，成功开创了一种最高效实用的α-氨基膦酸衍生物不对称合成新方法，高对映选择性地合成了一系列手性氨基膦酸酯。特别值得关注的是，该催化剂在极低的载量（0.8-50 ppm，百万分之一）下，能够合成多种α-烷基手性氨基膦酸酯，并且其转换数可达到20000以上，催化效率与生物酶相媲美。尤其是当使用α-甲基亚胺膦酸酯作为底物时，其转化数超过了百万，刷新了不对称有机催化领域的纪录。
这种有机小分子催化物具有比酶类更广泛的底物适应性，同时其分子量显著低于酶，仅为酶的百分之一或更低。鉴于其改变了科学界对小分子催化剂和生物酶的传统认知，研究团队将其命名为“小分子酶”。
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130-95-0 金鸡纳碱 |
147-85-3 L-脯氨酸 |
32503-27-8 四丁基硫酸氢铵 |
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9000-90-2 α-淀粉酶 |
9001-00-7 菠萝蛋白酶 |
9032-75-1 果胶酶 |