手性物質化學發展趨勢

物質是由大量人類肉眼看不到的分子、原子或離子等構成。合成化學是創造新物質最有力的工具和手段之一，化學家們已經運用這一工具巧妙地通過各種元素的組合創造出了數以千萬計的原本自然界不存在的新物質，推動了人類文明的進步和發展。不同物質之間除了在構成成分上不同外，在立體空間，特別是分子層次或納米尺度的微觀立體空間上，也可能存在著差別。有一類物質，它們有兩種立體空間結構 ( 稱為「對映異構體」，簡稱對映體），相互之間就如同人的左手和右手一樣，看起來完全相同，但是不能重疊，這類物質稱為「手性物質」（chiral material 或 chiral substance）。手性物質可以由手性分子構成，也可以由非手性分子構成。

手性物質廣泛存在於自然界中，並與我們的生活休戚相關。在漫長的生命形成和演變過程中，手性物質往往只有一種構型受到偏愛。例如，自然界中的糖都是 D 構型，胺基酸都是 L 構型，DNA 的雙螺旋結構都是右手螺旋。正因為如此，自人類誕生以來，手性物質就已經融入了我們的生命和生活，影響著我們的健康。今天我們所使用的藥物多數是手性藥物。此外，手性材料也得到廣泛應用。例如，手性液晶材料為我們提供了更加清晰的視屏；手性傳感材料、手性仿生材料等為我們帶來了許多憧憬。

手性物質的創造與轉化，以及手性物質的表徵和性能等研究已經形成一門新興的化學學科——手性物質化學（也稱「手性化學」）。手性物質化學往往採用手性原料、手性催化劑等，或者通過不對稱反應、不對稱催化反應及手性拆分等方法合成和構築手性物質。

在手性物質化學研究中，合成和構築手性物質是指得到單一對映異構體或者一種對映異構體過量的具有光學活性的手性物質。由此可見，手性物質的合成和構築除了注重傳統合成化學關注的合成效率和選擇性（化學選擇性、區域選擇性、立體選擇性等）外，更注重獲得單一對映異構體的產物。因此，手性物質的創造難度更大。為了避免「無效」對映異構體的產生，手性物質的合成和構築更加追求精準和環境友好，它代表了合成化學未來的發展趨勢。

經過 100 多年的不懈努力，化學家們已經逐漸了解了手性物質創造的規律。從採用手性源的不對稱合成到酶催化不對稱合成，從手性有機金屬催化不對稱合成到手性有機小分子催化不對稱合成，化學家們已經發展了許許多多的手性試劑、手性催化劑、不對稱合成新反應和新方法，並創造出了許許多多的手性物質，其中包括手性藥物、手性農藥、手性液晶材料等，極大地推動了手性物質化學的發展。目前，手性物質化學已與生命科學、環境科學、信息科學、材料科學、空間科學等深度交叉融合，並將在認識自然、詮釋生命起源、呵護人類健康、保護環境等方面發揮越來越重要的作用。

手性物質的性能和應用

手性物質的對映異構體之間在組成上完全相同，物理和化學性質在非手性環境中也完全相同，如具有相同的熔點、沸點、密度、化學反應、溶解度、光譜性質等。但在手性環境中，對映異構體之間在一些物理和化學性質上存在極大的差異，如具有相反的旋光性、不同的氣味等。由於組成生命體的基本物質（如蛋白質、DNA 和糖等）都是光學純的手性物質，所以生命體本身就是一個手性環境。因此，手性藥物的對映異構體在生命體內表現出不同的生理活性也就不足為奇了。

手性藥物是 21 世紀人類的一項重要發現。在古代，人們為了生存，從生活經驗中得知某些天然物質可以治療疾病和傷痛，成為藥物的始源。例如，公元 1 世紀前後我國的《神農本草經》、明朝李時珍的《本草綱目》就是其中的集大成者。那時人類已在不知不覺中用天然的手性化合物治病，如用奎寧、青蒿等治療瘧疾。20 世紀 30 年代，磺胺類藥物的問世，開創了化學治療的新紀元。隨後，許多藥物被合成出來，並挽救了無數人的生命。但那時人們對手性藥物的認識不足，不知道手性藥物分子的對映異構體可能具有不同的藥理作用，最終導致了「反應停」事件的發生。20 世紀 50 年代，「反應停」（沙利度胺，thalidomide）作為鎮靜藥物，用於減輕孕婦清晨嘔吐反應，結果導致 1.2 萬例胎兒畸形。後來的研究發現，R 構型的沙利度胺具有鎮靜作用，而沒有鎮靜作用的 S 構型的沙利度胺卻是致畸的罪魁禍首。自此以後，手性藥物得到了高度重視。以《中華人民共和國藥典》（2010 年版）為例，手性藥物有約 440 種，其中有明確手性構型要求的有 319 種，佔全部手性藥物的 72.5%。在 2019 年世界暢銷的前 20 種藥物中，手性藥物佔 14 種。目前正在開發的藥物中超過 2/3 的藥物是手性藥物。

農藥對於保護農作物、增加糧食產量是必不可少的。在商品化農藥中，25%以上是手性農藥，但過去這些手性農藥絕大多數是以消旋體形式出售的。與手性藥物一樣，手性農藥往往也只有一種構型有效，其對映異構體不但無效，有時甚至對環境是有害的。因此，從 20 世紀 90 年代開始，發展單一構型手性農藥越來越普遍。單一構型手性農藥的使用既保護了植物，增加了糧食產量，又節約了資源，減少了無效異構體對環境的危害。就手性除草劑而言，荷蘭和瑞士已不允許手性苯氧羧酸類除草劑外消旋混合物註冊；一些國家還宣布減少農藥的用量，如荷蘭、瑞典和丹麥已宣布在 10 年內農藥用量要減少 50%。這迫使農藥企業在手性農藥生產中必須生產單一對映異構體。因此，目前國內外農藥企業都在推廣單一對映異構體手性農藥。這無疑對環境保護和可持續發展起到積極的推動作用。

相對於手性藥物、手性農藥等手性物質，手性材料的研究雖然起步也比較早，但由於手性材料的結構相對較複雜，我們對其性能的了解和掌握還極其有限。除了對蛋白質的手性螺旋結構及其生理功能，以及手性液晶材料的液晶性能等有較深入的理解外，其他許多手性材料的潛在性能仍然有待我們去探索和發現。手性材料在我們的日常生活乃至國防建設中已扮演了越來越重要的角色，其中最突出的是手性液晶材料，尤其是藍相液晶材料。藍相液晶材料主要是由強扭曲的手性分子組成的化合物或者混合物構成，其對外界刺激比較敏感，電場響應時間在微秒級範圍內，是理想的顯示材料，在光計算機和雷射屏蔽等領域具有重要的應用前景。此外，科學家們還通過手性摻雜等方式創造出了手性導電聚合物材料、手性介孔材料、手性納米材料等手性材料。一些手性材料已在信息存儲與處理、吸波、傳感等方面展現出了良好的應用前景。

手性物質化學的發展趨勢與展望

經歷了跨世紀的探索和發展，手性物質化學研究已經進入了一個嶄新的發展階段，人類已經能夠通過人工合成的手性催化劑實現手性物質的精準創造。創造出的手性藥物、手性農藥、手性液晶材料等已經造福於人類社會。2001 年諾貝爾化學獎授予在手性物質創造領域做出傑出貢獻的三位科學家，就是對這個領域發展成就的認可。而今，手性物質化學的研究對象已經從小分子層次拓展到大分子、超分子層次。手性物質的性能研究更加受重視，手性物質在液晶顯示、生物傳感、信息存儲等方面已經展現出良好的應用前景。更加精準、高效、可持續地創造手性物質，研究手性物質在生命科學、環境科學、信息科學、材料科學、空間科學等學科領域的應用，以及探索手性物質的高效檢測手段和分析方法等正在成為手性物質化學研究的前沿和熱點。

更加精準地創造手性物質已經成為手性物質化學學科的發展趨勢。經歷了一個多世紀特別是最近幾十年的發展，手性物質創造已經有了許多方法。現在，幾乎任何手性化合物的單一對映異構體都能夠合成出來，一些手性化合物的合成不但精準，而且高效，並在工業生產上得到了實際應用。然而，這樣的精準反應和方法還非常有限，許多手性化合物的單一對映異構體雖然能夠合成出來，但是效率還很低，沒有實際應用價值。很多手性藥物仍然採用手性拆分方法，而不是用不對稱催化方法來生產；很多手性農藥仍然在以消旋體形式生產。對於手性材料的構築，目前還處於初期研究階段，要實現精準創造還很遙遠。總之，無論是手性藥物、手性農藥等手性分子的合成，還是手性材料的組裝與構築，都需要精準，社會可持續發展也要求物質創造的精準化。諾貝爾化學獎獲得者 Noyori 在 2001 年就提出：「未來的合成化學必須是經濟的、安全的、環境友好的，以及節省資源和能源的化學，化學家需要為實現『完美的反應化學』而努力，即以 100% 的選擇性和 100% 的產率只生成需要的產物而沒有廢物產生。」 因此，注重發展更加高效、高選擇性的手性試劑和催化劑，不對稱合成新反應、新方法、新概念及新策略，實現手性物質的精準創造是手性物質化學學科發展的必然趨勢。

手性物質化學學科在我國起步較晚，但在國家自然科學基金委員會、科技部、教育部、中國科學院等部門的大力支持下，經過我國科學家三十多年的不懈努力，已取得了長足的進步，在某些研究方向上達到或處於世界先進水平。例如，在手性配體及催化劑的設計合成，手性物質創造新反應、新方法、新策略、新概念等方面均產生了具有國際影響的研究成果。但與美國、日本等國相比，我國在手性物質化學學科的整體研究水平上還有較大差距。其主要表現為：①我國手性物質化學研究產生的標誌性的、有顯示度的研究成果還不夠多；②我國從事手性物質化學研究的科學家人數較多，但真正有國際影響的研究團隊和學術帶頭人較少；③我國手性物質化學的研究主要集中在少數幾個研究方向上，重複研究的現象比較嚴重；④我國擁有的手性技術不多，且沒有得到很好應用，我國企業應用的手性技術寥寥無幾。雖然我國手性物質化學學科還存在以上這些問題，但是其發展勢頭非常好。

物質是人類進步的基礎。創造新物質是合成化學的中心任務，也是新世紀國際創新能力競爭的前沿和焦點。當今方興未艾的信息技術、環境技術、生物技術、空間技術等均依賴於「先進」物質。而這些「先進」物質往往是自然界不能直接給予我們的，需要經過人工創造。發展精準、高效、環境友好、可持續的手性物質創造方法和技術是獲得手性物質的必由之路。因此，我們更需要在國家自然科學基金委員會、科技部、教育部、中國科學院等部門的大力支持下，瞄準國家的重大需求，立足學科前沿，加強整體布局，注重以「點」帶「面」，最大限度地發揮我國手性物質化學學科的創新能力和潛力；群策群力，堅持基礎與前沿並舉，大力推進學科交叉與融合，力爭解決手性物質創造中存在的關鍵科學問題，豐富和發展手性物質創造基礎理論，建立和發展手性物質創造核心技術，發展先進手性物質、建立手性物質分離分析和表徵新方法；強化綠色、可持續物質創造意識，建立手性物質化學學科資源信息共享平臺，極力推進產、學、研的深度融合，使手性物質化學更好地服務於國家建設及社會經濟發展，為人類社會進步做出更大的貢獻。

本文摘編自《中國學科發展戰略·手性物質化學》（國家自然科學基金委員會，中國科學院編. 北京：科學出版社，2020.7）緒論部分，內容有刪減，標題為編者所加。

內容簡介

手性物質化學是一門研究手性物質的創造、轉化、表徵、性能等的新興化學學科。它與生命科學、環境科學、信息科學、材料科學、空間科學等深度交叉融合，在認識自然、詮釋生命起源、呵護人類健康、保護環境等方面發揮著越來越重要的作用。本書凝聚了我國數十位化學家的智慧，對手性物質化學的學科地位、對社會的貢獻、學科發展水平及趨勢等進行了分析並提出了發展建議和對策。

《中國學科發展戰略·手性物質化學》適合高層次的戰略和管理專家、相關領域的高等院校師生、研究機構的研究人員閱讀，是科技工作者洞悉學科發展規律、把握前沿領域和重點方向的重要指南，也是科技管理部門重要的決策參考，同時也是社會公眾了解手性物質化學學科發展現狀及趨勢的權威讀本。