2021年诺贝尔化学奖揭晓，什么是不对称自催化？( 三 ) 北京时间10月6日下午

不对称自催化——Soai反应
我们都知道通常情况下化学反应的手性产物都是外消旋体，即两种手性完全等量。但是1995年日本东京理科大学的化学家KensoSoai（图2）在Nature上报道了一个令人难以置信的反应（如图3 ， Nature,1995,378:767），在1和2反应生成3的过程中，如果加入少量低ee值的3的话，生成的产物3的两种对映体将出现明显的不对称过量，甚至远高于起始加入的3的ee值。这一反应后来被命名为Soai反应。
图2KensoSoai

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图3Soai反应
后来进一步深入研究发现了更多惊人的结果：1）Soai发现即使起初加入的3的ee值极低，低到10-5% ，最终的产物ee值也能达到99.5%（Angew,42:315）；2）Singleton发现如果起始不加入手性3 ，而是取反应的产物加入另一反应中作为“引子” ，多步反应后也能得到ee值为3-86%不等的产物（如图4 ， JACS,124:10010）；对于这一反应，后来Singleton在OL上撰文认为由于自然存在的对映体的两种构型并不是完全等量的，在统计上应该有n1/2/2的偏差（这一点在前面博文中已有提及“2.1.2、统计起源论”http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=203082），正是这一微弱的偏差导致了Soai反应中的不对称放大，其实验表明只需要很少的过量（10-16mol ， 60000个分子）就可以导致单一手性产物的生成（OL,5:4337）；3）Soai还发现很多3以外的手性化合物也能诱导不对称Soai反应，如ee值为2%的亮氨酸、1%的缬氨酸（JACS,120:12157），环氧化物（Tetrahed.Asym.15:3699）， DPNE（OL,6:1613）等，而且都有高达98%的光学产率。

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图4
从1995年Soai反应被发现，该反应作为唯一的不对称自催化反应被研究了12年，直到1997年Mauksch发现一类Mannich反应也具有此特征（Angew,46:393）。但对于不对称自催化的机理仍不得其咎。
Soai反应之于生物手性的起源研究
鉴于Soai反应的产物为近乎单一手性的显著特点，人们很自然的想到这种不对称自催化机制对于解释生物分子手性起源是再恰当不过了。实际上，早在55年前，英国物理学家Frank就提出了这样的说法（Biochim.Biophys.Acta,1953,11:459）。而对Soai反应的动力学有大量研究的英国帝国理工学院的Blackmond04年在PNAS上撰文专门又重新讨论了这个话题（PNAS,2004,101:5732），认为如果不对称自催化机制（自放大）如果存在于更多的反应之中的话，无疑为解释生物分子手性起源提供了一个绝佳的模型。
Soai结合我们前面提到的不对称研究结果，在弱不对称性的放大上又做了大量工作：1）他在反应中不是引进手性产物或其他分子而是利用手性晶体或矿物，如在生物分子手性起源的实验研究（1）一文中提到的手性NaClO4(Angew,39:1510；J.Mol.Catal.A216:209)、螺旋硅石（Tetrahed.Lett.,44:721）、石英（JACS,121:11235）等，发现也能得到80-98%的产物；2）结合圆偏振光假说，他将经过圆偏振光光解得到的轻微不对称的3（JACS,127:3274）或Olefin(Angew,43:4490)作为手性源加入Soai反应，发现能够得到高达99.5%ee值的产物3 。实际上，前面提到的加入ee值为2%的亮氨酸、1%的缬氨酸（JACS,120:12157）与此具有相同的意义。
不可否认，一些手性小分子可以较好的实现不对称催化，而Soai反应更是能够利用自身的不对称放大作用以及统计不对称性或外界因素导致的“手性源”的轻微不对称性，实现产物的单一手性，并最终产生单一手性分子世界。但是由于目前发现的有机小分子催化和不对称自催化反应类型很少，且都发生在有机相反应中，所以它们对于生物分子手性起源的意义也只是假说而已。但愿将来这类机制能够扩展到水相的生物分子合成中来吧。