化学学科

化学的生命在于创新？

< >葡萄糖酐是可替代血浆的重要药品，但是葡萄糖酐有两种，一种是右旋葡萄糖酐；另一种是左旋葡萄糖酐。它们的物理化学性质不同，尤其是对人体的生理活性不同。例如右旋葡萄糖酐能增加血浆容积维持血压，可作挽救出血和外伤休克时急用。左旋葡萄糖酐却没有这种功能，而且对人体有毒，不能用作血浆代用品。 　　这样的例子在药物使用上是很多的，比如右旋的维生素C具有抗坏血酸的作用，但左旋的维生素C则无此功效。二者的化学式都是C6H8O6，对人体的生理活性却相去甚远。再比如左旋的氯霉素是抗菌良药；右旋的氯霉素则几乎不抗菌。上述这些现象不仅是临床医学研究者和医药工业从业者的常识，而且由于与健康有着密切关系，也是普通人理应具有的知识。 　　为什么由相同的元素和同样多的原子组成的化合物会有这么多区别呢？原来，这种区别来源于物质的旋光性，也就是上面说到的右旋和左旋。 　　众所周知，光波是一种电磁波，它是直线传播的，但光波又能振动。当光通过偏振片时，偏振片好像一个栅栏，只允许在某一个平面上振动的光通过，而把在其他平面上振动的光都挡住了。只在某一平面上振动的光叫做平面偏振光，它在通过某些有机物时会发生变化，会变成在另外一个平面上振动的偏振光，就好像把光的振动方向旋转了一下，有机物的这种性质叫做旋光性，这种化合物称为旋光物质。能使偏振光的振动平面向右转动(顺时针方向)的化合物叫做右旋物质；向左转动(逆时针方向)的叫做左旋物质。 　　法国微生物学家、加热灭菌消毒法的发明者巴斯德是最早发现物质旋光性的科学家。他于1848年发现，酒石酸铵钠有两种。尽管它们的原子种类和个数完全相同，但是旋光性质却不一样。一种能使偏振光的振动平面向右旋转，叫做右旋酒石酸铵钠；另一种则使偏振光的振动平面向左旋转，称为左旋酒石酸铵钠。这种有相同的原子连接次序，但却具有不同旋光性的物质之间的关系犹如人的左右手，所以它们被称为“手性分子”。又由于右旋物质和左旋物质之间存在着实物和镜像的关系，它们又被称为对映体。 　　巴斯德的研究指出了有机物存在着旋光异构体，但并没有找出旋光现象的根源。1874年，荷兰化学家范霍夫和法国化学家勒·贝尔将物质的旋光性与有机物的分子结构联系起来，认为物质具有旋光性的根源在于分子中有不对称碳原子。 　　当有机物(如甲烷)的中心碳原子与4个相同的原子相连时，这个碳原子称为对称碳原子。 　　当中心碳原子与其他4个不同的原子或基团相连时，这个中心碳原子被称为不对称碳原子。 　　从手性角度看，不对称碳原子又称为手性碳原子，含有不对称碳原子的有机物称为手性化合物。 　　当有机物中含有一个不对称碳原子时，就存在两个旋光异构体，如果含有的不对称碳原子多于两个时，旋光异构体的数目将增多。 　　旋光异构现象与人类有着密切关系，多数天然产物以及与生命有关的大分子化合物都是旋光异构体。许多合成药物在生产出来时是多种旋光异构体的混合物。而往往是只有其中一种具有疗效其他异构体却没有疗效，甚至对人体有害。作为药物，当然应该摒弃无效和有害的异构体，采用有效的无害的异构体。怎样才能达到这个目的呢？这是化学家的任务。 　　用一般有机合成的方法得到的旋光物质往往是右旋和左旋的各占一半，而要想得到单一的右旋或左旋的化合物必须将它们分开，在化学上称为“拆分”。 　　想当年，巴斯德是在放大镜和镊子的帮助下将“右手”和“左手”逐一分开的。这种方法的效率太低了，于是化学家们想出了多种拆分方法。例如播种法是往旋光体混合物溶液中加入要提取的旋光异构体的纯晶种，可以使有用的异构体析出。又比如采用选择吸附法从混合物中有选择地吸附有用的旋光异构体。还可以利用微生物将混合物中无用的异构体吃掉，留下有用的产物。 　　应该说拆分也不是高效的办法。于是，化学家把思路转向从非手性的原料合成手性的产物，当然是合成所需的手性产物。由于实现这种方法时要将非手性原料中的碳原子转变成不对称碳原子，所以这种方法又称为不对称合成。德国化学家费歇尔为不对称合成下了一个定义：“所谓不对称合成，就是反应物分子中的一个非手性单元被转变成一个手性单元产物。”即在手性助剂的帮助下，使某一种有用的旋光异构体成为主要产物，另一个无用的异构体成为次要产物。 　　到了20世纪70年代，不对称合成得到了进一步开拓，最具有创新的思路是在不对称合成中使用催化剂，因为事实证明，催化剂是提高有机合成反应和高分子聚合反应效率的物质。 　　在催化不对称合成中卓有成效的当推美国孟山都公司高级科学家诺尔斯博士、日本名古屋大学教授野依良治和美国加州拉霍亚的斯克里普斯研究所的沙普利斯教授。 　　诺尔斯首创了催化加氢不对称合成反应，他用手性膦做催化剂，进行不饱和双键的催化加氢反应，就可以使其中的一个碳原子具有手性。他利用这一方法开发了多巴的工业合成反应，多巴的产量占97.5%。为治疗帕金森症提供了良药。野依良治开发了以钌化合物作催化剂的催化加氢不对称合成反应，这种催化剂操作起来清洁、简单而且经济，可用于开发药物、农药、香料、调味品的生产，具有显著的经济效益。夏普利斯研究的是催化氧化不对称合成，反应可用于生产缩水甘油和甲基缩水甘油，进一步制造治疗心脏病的有效药物。 　　对于化学界来说，催化不对称合成是化学学科发展过程中的一件大事，它将为化学家提供探索分子世界所需要的新分子，特别是新的手性分子。不对称合成也为发展立体化学提供更多的信息。 　　另一方面，催化不对称合成对于药物、农药、香料、调味品工业发展作出贡献。尤其是在新药合成中产生了社会效益和经济效益，不但合成了解决治疗诸如帕金森症等疑难病症的良药，而且也研制了手性抗癌药泰霍尔。更重要的是手性使医药界和广大人民认识到研制和使用药物必须慎之又慎，不仅要有百里挑一的精神，而且还要准备着要千里挑一、万里挑一的思想，研制和使用药物必须万无一失，这才是科学家应该达到的思想境界，这也是这项科学研究的最大社会效益。 　　一件科学成果和学术研究同时具有科学价值、社会效益和经济效益是不对称合成研究的特点，而且在很短的时间内获得了工业应用，真可称得上科学研究的楷模。 　　正由于诺尔斯、野依良治和夏普利斯作出了重要贡献，三人获得了2001年诺贝尔化学奖。因为他们的研究主要是在20世纪完成的，所以我把这项成绩算做人类20世纪在化学上的重大进展。 < > 转自《中国教育报》 显示全部