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新型小分子手性——阶梯手性（Staircase Chirality）

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2025-02-01 08:09

正文

近日， 德克萨斯理工大学、南京大学李桂根 和 梁睿斌 教授团队通过 设计和合成非天然氨基酸衍生物，发现了一种全新的小分子手性类型——阶梯手性 (Staircase Chirality) 。这一原创成果为手性化学，尤其是不对称合成和催化以及材料领域，带来了新的研究视角和机会。相关研究成果以发表在 Research 上。

图1. 阶梯手性概念模型

长期以来，分子手性一直被认为与地球上生命的起源密切相关，因为动物和植物中的基本生物分子——如DNA、RNA、蛋白质、多肽和碳水化合物——拥有对生物过程至关重要的手性结构元素。分子手性一般分为几类：在小分子水平上，它包括中心手性、轴手性、螺环手性、夹层手性（金属夹层和有机夹层）、涡轮手性、向标手性；在宏观和超分子水平上，它包括多层手性（刚性螺旋和柔性折叠），以及拓扑和固有手性。

手性化学包括两个部分：手性的发现和手性的控制。近一个世纪以来，控制手性的工作进展已经取得可喜的进展，包括十位左右诺奖得主的工作在内。可是，发现新性的工作乎到了天花板。近半个世纪以来，有关小分子新手性的工作几乎没有报道。

最近，该团队发现了一种全新的小分子手性类型——阶梯手性，其结构是由一个萘环作为桥墩固定两个对称的苯环。在这个框架中，苯环的对位上的两个手性辅助基团导致两个苯环发生非对称错位，从而形成了独特的阶梯手性结构（图1）。这种新型手性经过光谱学表征和X射线衍射证实了其存在。两层阶梯分子结构是通过手性胺辅基来控制不对称合成而完成（图2）。如图1所示，该模型形象化地展示了阶梯手性的两种对映异构体元素，两层阶梯错位偏向，阶梯手性因此得名。

图2. 阶梯手性的不对称合成

值得一提的是，其中一个分子甚至展现了四种手性元素：中心手性、向标手性（ Research , 2022 , DOI: 10.34133/research.0012，点击阅读详细）、涡轮手性（ Research , 2022 , DOI: 10.34133/research.0474，点击阅读详细）和阶梯手性（图3）。这种手性元素组合为研究分子手性提供了全新的视角，提供了新的机遇。

图3. 四种手性元素于一体：中心手性、向标手性、涡轮手性和阶梯手性

为了区分不同的阶梯手性，该团队给出了对映体不同的命名：将两个阶梯平行于底平面放置，同时视线从萘环桥墩向辅基球方面看，向右上爬升为P构型，向左上爬升为M构型。

计算化学的结果进一步支持了实验结果（图4）。阶梯手性P和M 的转换能垒为6.3 kcal/mol 远大于同一阶梯手性中单个手性中心的构型转换的能垒2.8 kcal/mol，计算充分证实了阶梯手性的热稳定性。

图4. 分子构型转换的能量计算

未来展望

阶梯手性的发现，让我们对手性的理解又迈进了一步。该新手性将对于以下几个领域产生影响：手性化学、手性药物和手性材料。让我们一起期待阶梯手性带来的更多可能性和应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Discovery of Staircase Chirality through the Design of Unnatural Amino Acid Derivatives

Anis U. Rahman ^† , Yu Wang ^† , Ting Xu, Kambham Devendra Reddy, Shengzhou Jin, Jasmine X. Yan, Qingkai Yuan, Daniel Unruh, Ruibin Liang*, Guigen Li*

Research , 2024 , DOI: 10.34133/research.0550

作者简介

李桂根，美国德州理工大学最高荣誉教授 (Paul Whitfield Horn Distinguished Professor) 和南京大学合作教授。杰出青年基金获得者（B类)。1995年至1997年美国Scripps研究所博士后工作期间1995-1997在美国Scripps博士后期间，对K. Barry Sharpless的2001年诺贝尔化学奖课题 - Catalytic Asymmetric Aminohydroxylation (SAA 反应) - 起到关键作用。李桂根共发表论文 410余篇，h-Index = 67, 多次入选“中国高被引学者”和美国斯坦福大学发布的 2021-2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists 2022） 。主要学术贡献：（1）向标手性，多层柔性折叠手性，多层柔性折叠手性高分子，多层 pse udo C ₂ 对称性。（2）新型手性辅基和GAP（Group-Assisted Purification）化学（无柱层析合成）。（3）过渡金属催化烯烃/炔烃的胺卤化和双胺化反应。（4）聚集诱导合成 (aggregation-induced synthesis, AIS) 和聚集诱导不对称合成 (aggregation-induced asymmetric synthesis, AIAS)；聚集诱导催化（AIC）和聚集诱导不对催化（AIAC）。（5）高分子和小分子的聚集诱导旋光 (aggregation-induced polarization, AIP) 。在美国成功创立GAP化学公司（已经被国际品牌公司Croda收购）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/11526

新型小分子手性——阶梯手性（Staircase Chirality）

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