手性藥物不對稱催化合成：機遇與挑戰(zhàn)并存

張生勇，姜 茹，何 煒，王平安，聶慧芳，姚 琳，張東旭

(陜西省手性藥物工程技術研究中心，空軍軍醫(yī)大學藥學系，陜西 西安 710032)

德國本杰明·李斯特和美國戴維·麥克米倫由于在有機催化領域的杰出貢獻而榮膺了2021年的諾貝爾化學獎。這樣一來，在短短20年的時間中，不對稱催化的三種基本方法[金屬催化(2001年)、酶催化(2018年)和有機催化(2021年)]均得到了諾貝爾化學獎的青睞。這足以證明手性化合物(尤其是手性藥物)的高效不對稱催化合成具有重大的科學意義和研究價值，也彰顯了不對稱催化發(fā)展的欣欣向榮和勃勃生機。盡管這些獲獎者的研究領域不同，但其本質屬性都是化學，他們的開拓性成果都是通過立體選擇的催化反應構建手性物質。本文結合手性藥物不對稱催化合成多年來的研究進展，對手性藥物不對稱催化合成的研究所面臨的機遇和挑戰(zhàn)進行了總結，對未來一段時間內手性藥物不對稱催化合成的研究要點進行分析展望。

1 手性的概念及手性藥物的合成

何謂手性？手性是指實物與其鏡像的一種關系。如同人的雙手一樣，左手的鏡像是右手，二者相似但不能重疊。人們把這種實物與其鏡像不能重疊的性質叫做手性。實際上，“手性”并不是一個新鮮的化學術語，早在1884年英國開爾文勛爵在一次講座中就首次提出了“手性”這個概念，用于表述實物與其鏡像不能重疊的屬性。手性是自然界普遍存在的現(xiàn)象，從宇宙天體和行星運行，到微觀分子如葡萄糖和金雞納生物堿；從微觀分子氨基酸，到生物大分子酶、多肽、蛋白質和DNA以及海螺、蝸牛的螺旋結構，螺旋狀纏繞在樹干上的攀援植物等，處處都存在著手性的身影。

手性與人類生命健康和日常生活密不可分。臨床上使用的數(shù)千種化學藥物中就有52%的藥物具有手性。在2019年世界暢銷的前20種藥物中，手性藥物14種，占比高達70%。手性藥物的構型不同，它們的藥理活性、毒性和代謝過程也不盡相同，有時也會造成“我之蜜餞你之砒霜”的天壤之別。例如，非甾體類抗炎鎮(zhèn)痛藥(S)-萘普生是其對映體活性的35倍；普洛萘爾的兩個異構體都有β受體阻滯作用，但(S)-異構體比其對映體的作用強100倍。20世紀60年代初發(fā)生的“反應?！笔录钦f明手性化合物性質差異的典型事例。當時，沙利度胺(商品名“反應?！?作為治療妊娠反應藥物能夠有效地緩解孕婦的惡心嘔吐，因此成為“孕婦的理想選擇”(當時的廣告用語)。但是，噩夢隨之而來，在不到3年的時間里“反應?！本蛯е铝?2 000多例“海豹肢畸形”新生兒，成為醫(yī)學史上的一大悲劇。悲劇發(fā)生的原因是由于沒有除去“反應?！敝械淖笮w?！胺磻！笔鞘中曰衔?圖1)，含有等量的左旋體和右旋體，其中的右旋異構體具有中樞鎮(zhèn)靜作用，而左旋異構體則由于妨礙了孕婦對胎兒的血液供應而具有強烈的致畸作用。

圖1 “反應?！弊笮w和右旋體的結構

手性藥物主要是通過不對稱催化反應合成的，目前主要有3種催化劑：酶、金屬催化劑和有機催化劑。

2 酶和生物催化：優(yōu)勢與局限性

2.1 酶和人工定向酶

酶的本質是蛋白質，是由數(shù)百個氨基酸組成的生物大分子，即使是最簡單的酶也含有200～300個氨基酸，因此酶的分子質量至少為10 000，大者可達1 000 000。絕大多數(shù)的酶是由活細胞產生的蛋白質。

酶是生物體內進行各種化學反應最重要的物質，它是由20種不同的氨基酸按一定排列順序形成的肽鏈，這種如同一條長線的肽鏈，按照一定的規(guī)則彎曲、折疊形成一個比較松散的“線團”。但是，這個“線團”并不是雜亂無章的，而是按照一定的規(guī)則排布。因此，每一種酶都具有相同的結構和固定的形態(tài)。就是由于這種獨特的結構使酶肽鏈中某些氨基酸的側鏈形成一種固定的空間排布，構成具有催化能力的活性中心。酶的催化作用有賴于酶分子的一級結構及空間結構的完整。但是，通常高溫、強酸、強堿或有機溶劑等能夠破壞酶的結構，因此亂了套的“線團”(酶)就失去了催化活性。人們把這種現(xiàn)象叫作酶分子變性。

酶催化的化學反應叫作酶促反應。生物體內的化學反應絕大多數(shù)都屬于酶促反應。酶促反應不限于天然產物，經過結構適當改造的酶也能催化非天然產物。

酶是一種蛋白質，是由20種不同氨基酸組成的生物大分子?；驔Q定了酶的氨基酸組成，因此只要修改編碼酶的基因就能夠改變酶的氨基酸組成，從而改變其催化性能。但是，傳統(tǒng)的修改方法費時費力且效果也不佳。弗朗西斯·阿莫德另辟蹊徑，對酶進行人工進化，高效地得到所希望的酶變體——人工定向酶。這一開拓性的成果使阿莫德榮獲2018年諾貝爾化學獎[“通過定向進化的酶被用來制造從生物燃料到藥品的各種產品”(2018年諾貝爾化學獎頒獎詞)]。

2.2 酶催化

酶是一類重要的生物催化劑，由于其高效和高選擇性的巨大優(yōu)勢，在手性藥物合成和工業(yè)生產中具有廣泛的應用，迄今已成功地用于紫杉醇、阿托伐他汀等手性藥物的合成。

根據(jù)催化的反應類型，酶分為六大類：氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂解酶、異構酶和連接酶。作為綠色、高效的催化劑，它們均在手性藥物的合成中扮演著重要的角色。

Codexis和Merck公司利用ω-轉氨酶將羰基直接轉化為手性氨基的關鍵步驟成功實現(xiàn)了手性降糖藥西他列汀的工業(yè)生產[1](圖2)。

圖2 手性降糖藥西他列汀的工業(yè)生產

紫杉醇是廣譜、高效、低毒的抗癌藥，最初是從紅豆杉樹皮中提取的，目前臨床上使用的紫杉醇基本上都是人工合成的(圖3)。

圖3 目前臨床上使用的紫杉烷類藥物結構

苯基異絲氨酸是合成紫衫烷類抗癌藥的重要手性砌塊。目前，合成苯基異絲氨酸的主要方法之一就是生物法，即在ω-轉氨酶的存在下，以α-苯基-β-羰基-α-羥基丙酸為原料，高效、高選擇性地把羰基轉化為手性氨基生成苯基異絲氨酸。后者與略經修飾的天然產物10-去乙?；涂ㄍたs合即可得到紫杉醇(圖4)。用類似的方法也可合成其他紫杉烷類抗癌藥多西紫杉醇和卡巴他賽(圖3)。

圖4 酶催化合成紫杉醇的合成路線

阿托伐他汀、瑞舒伐他汀等他汀類藥物是羥甲戊二酰輔酶還原酶抑制劑，能夠有效抑制膽固醇合成，已廣泛應用于臨床。

合成阿托伐他汀鈣的關鍵是手性中間體6的合成，手性中間體6約占阿托伐他汀鈣原料成本的1/2，因此掌握該關鍵中間體的先進合成技術，也就掌握了阿托伐他汀鈣的核心技術。

在中間體6的合成過程中，有三步反應涉及酶催化，一是1→2和4→5這兩步反應是在輔酶Ⅰ的參與下，還原酶把羰基還原為手性仲醇，二是脫鹵酶催化碳-鹵鍵的斷裂，生成新的碳-碳鍵(2→3)和鹵離子(圖5)。

圖5 通過化學-酶法合成阿托伐他汀鈣的反應路線

酶是一類重要的生物催化劑，其催化條件溫和，在常溫、常壓下即可進行催化反應。酶對其底物具有高度特異性和高度催化效能，酶促反應的速率最高可達非酶催化速率的10～12倍，同時還具有優(yōu)秀的選擇性。酶主要通過在過渡態(tài)時與底物的多重相互作用，有效控制底物構象，并降低過渡態(tài)的活化能，達到高選擇性和高活性。

酶的主要局限性是作用過于專一，選擇性難以調節(jié)，穩(wěn)定性差，價格昂貴，某些酶還需要輔酶或培養(yǎng)基。

3 金屬催化：突破與瓶頸

過渡金屬配合物催化的不對稱均相反應是合成手性藥物的重要方法。由于過渡金屬的外層含有未填充的空d軌道或一定數(shù)量的d電子，它可以通過空d軌道與底物配位，或者用自己的d電子向底物的空軌道反饋而形成碳-金屬鍵。因此，這類催化劑用途廣泛，并有許多用于工業(yè)生產手性藥物的成功案例。

3.1 金屬催化的發(fā)展

過渡金屬催化的不對稱反應研究迄今已有五十多年的歷史。1968年，KNOWLES等[2]和HORNER等[3]分別首次報道了手性銠配合物均相催化的不對稱氫化反應，開創(chuàng)了不對稱合成的新紀元。由于這一開拓性的工作，KNOWLES與NOYORI(首次報道了軸手性雙膦配體Binap)發(fā)明了不對稱氧化反應的SHARPLESS，榮膺了2001年諾貝爾化學獎[“這三位獲獎者為合成具有新結構的分子和物質開創(chuàng)了一個全新的領域。現(xiàn)在像抗生素、抗癌藥和心臟病藥等都是根據(jù)他們的研究成果創(chuàng)造出來的”(2001年諾貝爾化學獎評語)]。他們的工作改變了手性藥物的生產途徑。

用于不對稱氫化的催化劑主要是由手性膦配體與過渡金屬(Rh、Ir、Ru)配位而成。在林林總總、結構各異的膦配體中，根據(jù)手性類型可以把它們分為膦手性、碳手性、軸手性和螺手性四類配體。從20世紀70年代起手性膦配體如雨后春筍，除了單膦配體外，人們報道了更多的手性雙膦配體。下面歸納了各類配體的結構和發(fā)明人以及首次報道的時間和演變過程(圖6)。

圖6 各類膦配體的結構和發(fā)明人以及首次報道的時間和演變過程

近幾年來，作者團隊在烯丙醇(圖7A)[4]、α-烷氧基-α，β-不飽和羧酸(圖7B)[5]、異喹啉(圖7C)[6]、N-芳基亞胺(圖7D)[7]、β-芳酮-α-甲基-α，β-不飽和羧酸(圖7E)[8]、高共軛α-甲基-α，β-不飽和羧酸(圖7F)[9]和2-羧基色酮(圖7G)[10]等挑戰(zhàn)性底物的不對稱催化氫化的研究中，不僅獲得了優(yōu)秀的對映選擇性，而且區(qū)域選擇性和化學選擇性都高達100%。

圖7 作者團隊挑戰(zhàn)性底物的不對稱催化氫化研究

上述挑戰(zhàn)性底物的不對稱催化氫化反應，不僅為構建手性藥物提供了關鍵的手性砌塊，同時作者還利用這些反應成功地合成了手性藥物阿莫羅芬(圖8A)、索利那辛(圖8B)和氟羅布芬(圖8C)。

3.2 金屬催化在手性藥物工業(yè)生產中的應用

不對稱催化氫化反應是最重要的藥物綠色合成技術之一。例如，度洛西汀、阿利克侖、西他列汀和雷美替胺等手性藥物都是在過渡金屬配合物的存在下通過不對稱催化氫化反應工業(yè)生產(圖9)。

圖9 部分由過渡金屬配合物催化的不對稱氫化反應生產的手性藥物

(S)-異丙甲草胺(商品名“金都爾”)是玉米和其他農作物最為重要的手性除草劑，是瑞典先聲達公司于20世紀90年代末率先開發(fā)的。它的關鍵步驟就是采用不對稱催化氫化反應，在反應式所示的條件下，轉化數(shù)(TON)高達1 000 000，是金屬催化用于工業(yè)生產最成功的范例之一(圖10)。

圖10 (S)-異丙甲草胺(商品名“金都爾”)的工業(yè)生產路線

不對稱氧化反應在手性藥物的生產中也扮演了重要的角色。例如，抗艾滋病藥茚地那韋就是利用Jacobsen催化劑(Salen鹽)通過烯鍵的不對稱環(huán)氧化生產的[11-12](圖11)。

圖11 抗艾滋病藥茚地那韋的工業(yè)生產路線

KAGAN率先報道的硫醚不對稱氧化反應在工業(yè)生產中也得到了廣泛的應用。例如，治療胃潰瘍的拉索美拉唑和被稱為“不夜神”的阿莫菲尼都是通過硫醚的不對稱氧化反應的關鍵步驟生產的[13-16](圖12)。拉索美拉唑在2012年是全球第四位的暢銷藥。(R)-阿莫非尼屬興奮劑藥物，臨床上主要用于治療白天睡眠過多的發(fā)作性睡病和抑郁癥患者，也用于治療特發(fā)性嗜睡或發(fā)作性睡眠癥。由于其效果顯著，因此成為美軍的戰(zhàn)備藥物。

圖12 通過不對稱氧化反應生產拉索美拉唑和阿莫菲尼

盡管金屬催化獲得了巨大的進展，也取得了諸多突破，但仍存在不盡人意之處，例如，普遍使用昂貴的稀有金屬，而有時使用的手性配體甚至比金屬更貴，因此成本普遍較高。同時，在多數(shù)情況下催化劑的活性和立體選擇性也不盡如人意。更重要的是，貴重金屬毒性大，不適合用于手性藥物和食品添加劑的合成。盡管近年來已有使用鐵、鈷、鎳、錳等廉價金屬的報道，但合適的配體很少，同時適用范圍有限，催化性能還有待提高。

4 不對稱有機催化：機遇與挑戰(zhàn)

李斯特和麥克米倫因對“不對稱有機催化”的突出貢獻而榮膺了2021年的諾貝爾化學獎[“他們開發(fā)了一種新的、巧妙的分子構建工具：有機催化。它的用途包括了研究新藥，使化學更環(huán)保，并使生產手性分子變得更容易”(2021年諾貝爾化學獎評語)]。

長久以來，用于不對稱合成的催化劑有兩種：酶和金屬催化劑。但是，到2000年前后，得益于李斯特和麥克米倫突破性的工作進展，將不對稱有機催化推向高潮，從此產生了第三種不對稱催化：有機催化。目前，不對稱有機催化將分子構建帶到了一個全新的水平，并已奠定了與金屬催化和酶催化三足鼎立的地位，同時展現(xiàn)了一些獨特的優(yōu)勢：①可以通過手性源方便合成，即以價廉、易得的光學純天然產物為原料，通過手性保持或構型翻轉合成所需要的有機催化劑。②催化劑對水和空氣相對穩(wěn)定，使用方便，易于貯存和運輸。同時，不存在重金屬污染的后顧之憂，適合于藥物和食品添加劑等手性精細化學品的合成。③具有豐富的活化模式，可以根據(jù)底物特點用不同的活化模式設計新反應；催化劑與底物之間的作用可以通過氫鍵、共價鍵或離子對等方式有效地控制反應的立體選擇性。④可以通過使用雙功能或多功能催化劑的協(xié)同作用實現(xiàn)單一催化劑無法解決的合成難題。

4.1 有機催化的發(fā)展

2000年，李斯特采用脯氨酸作為丙酮和芳香醛之間羥醛縮合反應的催化劑，結果獲得了68%的化學產率和高達96%ee的立體選擇性[17-18](圖13)。因此，結構簡單、價格低廉的脯氨酸幾乎是最好的催化劑，即便使用手性金屬催化也難以在如此溫和的條件下實現(xiàn)高選擇性分子間反應，但是有機催化劑竟然做到了，這不能不說既是一個奇跡，也是一個突破。

圖13 脯氨酸作為催化劑的羥醛縮合反應

幾乎與李斯特在同一時期，麥克米倫在研究金屬催化劑時發(fā)現(xiàn)這類催化劑很不穩(wěn)定，易被濕氣或氧氣破壞。因此，他開始思考是否有可能開發(fā)出一種更耐用、更穩(wěn)定的催化劑。于是，他設計了一些可以產生亞銨離子的簡單分子咪唑烷酮，其中的一種在不對稱催化方面表現(xiàn)優(yōu)異[19]。在5%手性咪唑烷酮的存在下，α，β-不飽和醛與共軛環(huán)戊二烯的狄爾斯-阿爾德反應，獲得了優(yōu)異的結果[19](圖14)。

圖14 手性咪唑烷酮催化的狄爾斯-阿爾德反應

實際上，有機催化并不是什么新鮮事，也不是2000年才出現(xiàn)的新型催化形式，它最早能夠追溯到1894年，克腦文蓋爾報道的乙二胺催化甲醛與丙二酸酯的縮合反應。盡管不是立體選擇的催化反應，但他開創(chuàng)了有機催化的先河，成為“第一個吃螃蟹的人”。不對稱催化的第一次嘗試是在1904年，當時利用生物堿類天然產物催化合成手性羧酸。1912年，BREDIG和FISKE使用金雞納生物堿奎寧或奎尼丁進行芳香醛與氰化氫的加成反應，他們發(fā)現(xiàn)金雞納堿能夠加快反應，并獲得了光學活性的加成氰化物，但立體選擇性≤10%ee。

不對稱有機催化從20世紀90年代后期開始進入到一個新的發(fā)展時期。YANG等[20-21]率先報道了含有軸手性骨架的酮催化劑(圖15)不對稱催化烯烴的環(huán)氧化反應。在反式烯烴的不對稱環(huán)氧化反應中獲得了最高達90%的產率和95%ee的立體選擇性。

圖15 楊丹報道的含有軸手性骨架的酮催化劑

幾乎與楊丹同時，史一安也報道了一類結構簡單、易于合成的手性有機酮催化劑。他們以果糖為原料在溫和條件下只經過兩步反應就能夠高產率的制備[22]目標手性化合物(圖16)。

圖16 史一安報道的手性有機酮催化劑及其制備路線

史一安酮的優(yōu)勢在于性能卓越，適用底物廣泛，原料價廉易得，便于合成，更適合于工業(yè)生產。

我國化學工作者在有機催化領域也是一支非?；钴S的研究群體，ZHU等[23]用有機小分子催化烷氧基醛與β-乙酰氨基硝基烯烴的不對稱Michael加成反應的關鍵步驟，成功地合成了含有3個手性中心的抗流感藥奧司他韋(商品名“達菲”)。CHEN等[24]利用有機小分子催化不對稱Michael加成反應合成了三種生物活性氫化二苯并呋喃生物堿(-)-石蒜胺、(+)-月桂堿以及治療阿爾茨海默病的(-)-加蘭他敏。YOU等[25]用脯氨酸衍生的有機小分子催化劑不對稱催化狄爾斯-阿爾德反應合成了具有抗HIV活性的降三萜(+)propindilactone G。GUO等[26]利用手性硫脲催化硝基甲烷與環(huán)己烯酮的不對稱Michael加成反應合成了海洋生物堿(-)Haliclonin。

近20年來，作者在不對稱有機催化領域也進行了探討，先后報道了脲、硫脲、芳酰胺和金雞納生物堿季銨鹽等數(shù)十種有機催化劑，它們在Michael加成、Henry反應、MBH反應、相轉移反應和環(huán)氧化等十多種不對稱反應中都獲得了理想的結果?，F(xiàn)將一些典型的例子匯總如下。

金雞納生物堿季銨鹽不對稱有機催化Nitro-Mannich反應[27]、Henry反應[28]、相轉移反應[29]和RC反應[30](圖17)。

圖17 金雞納生物堿季銨鹽催化的不對稱反應

硫脲、脲、芳酰胺有機催化不對稱Michael加成[31]、MBH反應[32]和環(huán)氧化反應[33](圖18)。

圖18 硫脲、脲、芳酰胺催化的不對稱反應

氨基酸衍生的芳酰胺、類二肽有機催化劑和吡咯烷衍生的脲類有機相轉移催化劑不對稱催化的反應以及動力學拆分[34-36](圖19)。

圖19 芳酰胺、類二肽有機催化劑和脲類有機相轉移催化劑催化不對稱反應以及動力學拆分

4.2 有機催化在藥物合成中的應用

有機催化這種全新而巧妙的分子構建工具不僅可以被用來研究新藥，還能讓化學更環(huán)保，因此它在手性藥物合成中的應用已初露端倪。作為典型事例，這里僅介紹有機催化不對稱合成抗流感手性藥物奧司他韋。

奧司他韋的商品名為“達菲”，是一種特異性神經氨酸酶抑制劑，可以有效的抑制禽流感和甲型H1N1流感病毒。奧司他韋的高效綠色合成一直是藥物化學和有機合成領域探討的熱點問題，雖然迄今已有近20種合成方法，但是從經濟、高效和綠色合成的角度考慮，其中的大多數(shù)方法都難以實現(xiàn)工業(yè)化生產。因此，繼續(xù)研究高效綠色的合成方法就成為化學家面臨的迫切問題。2009年，ISHIKAWA等[37]采用從脯氨酸衍生的有機催化劑，通過烷氧基醛與β-羧酸叔丁酯硝基烯的不對稱Michael加成反應的關鍵步驟全合成了奧司他韋(圖20)。

圖20 有機催化的不對稱Michael加成反應合成抗流感病毒藥奧司他韋

ZHU等[23]于2010年采用同樣的催化劑，用β-乙酰氨基硝基烯代替Hayashi的β-羧酸叔丁酯硝基烯，通過β-乙酰氨基硝基烯與烷氧基謎不對稱Michael加成反應的關鍵步驟，用簡單分子成功合成了結構較復雜的奧司他韋(圖21)。

圖21 通過不對稱Michael加成反應的關鍵步驟合成奧司他韋

手性有機小分子化合物作為繼酶和金屬催化劑之后第三類用途很廣的手性催化劑，它們廉價、低毒，結構和分子組成確切，且充滿活力，對水和氧氣相對穩(wěn)定，既便于回收和重復使用，也基本上不需要惰性氣體保護、低溫、絕對的無水溶劑等特殊的反應條件。但是，從整體上講，目前有機催化劑存在的主要問題是催化活性低，催化劑用量大。同時，立體選擇性在許多情況下也只是差強人意，真正能夠用于工業(yè)生產的有機小分子催化劑迄今尚未見報道。

5 展望

生物催化已經走過了100多年的漫長之路，如今已經成為構建手性藥物分子的重要工具。由于生物催化劑——酶具有精巧的三維空間結構和很好的協(xié)同催化作用，因此它的催化活性和選擇性都是金屬催化劑和有機催化劑無法比擬的。

目前，藥物化學家面臨的主要任務，一是進一步挖掘天然酶的催化功能，擴大其應用范圍；二是在深入了解模擬酶的結構與功能的基礎上，理性設計、合成結構簡單、功能更強大的模擬酶。我們相信，通過對酶分子的設計、改造和應用范圍的探討，將為藥物化學家構建手性藥物分子提供無限廣闊的發(fā)展空間。同時，酶和金屬這兩類催化劑互補的特性也逐步顯現(xiàn)，這無疑會擴大它們在藥物合成中的應用范圍。

與生物催化相比，金屬催化具有獨特的優(yōu)勢和無可替代的地位。這種獨特性源于組成配合物催化劑的手性配體和與之配位的過渡金屬。首先可以通過調節(jié)配體的剛性、電性等精準地構筑催化活性中心的手性環(huán)境，以實現(xiàn)高立體選擇性的不對稱催化反應。其次，配位金屬具有獨特的外層電子結構，便于參與底物分子中各種化學鍵的活化和重組。

金屬催化是用途最廣的不對稱催化反應，已經廣泛地應用于工業(yè)生產。同時，近幾年來發(fā)展起來的金屬-有機協(xié)同催化更是擴大了金屬催化的應用范圍。

設計合成更高效的有機催化劑、開發(fā)新的不對稱催化反應和有機-金屬協(xié)同反應等仍然是有機催化今后的研究方向和重點領域。同時，利用有機小分子化合物能夠容納不同官能團的特點設計多功能催化劑，進行串聯(lián)反應或高效構建天然產物分子中復雜的手性骨架也是研究的熱點。鑒于有機催化的現(xiàn)狀，還應當努力開發(fā)能適用于工業(yè)生產的新型催化劑，真正實現(xiàn)使手性物質的生產變得更容易、更環(huán)保、更經濟。