冯小明｜从“手性”到精准调控：不对称催化的科学奥秘

未来科学大奖十周年庆典

2025年7月8日-9日，未来科学大奖十周年庆典在上海世界会客厅隆重举行。7月8日的科学峰会汇聚了全球顶级科学家，围绕生命科学、物理、化学、数学及计算机科学等多个前沿领域，展开了多场深度学术报告与跨界对话。

四川大学教授、2018未来科学大奖-物质科学奖获奖者、未来科学大奖十周年庆典Program Committee委员冯小明参与 科学峰会 “化学专场研讨会 - 化学助力美好生活”对话环节。

下文系未来科学大奖十周年庆典期间，光明网采访冯小明院士的内容，记者宋雅娟、蔡琳采访整理。

文源：光明网—科普中国

不对称催化，这是一个听起来有点陌生，但其实和我们生活息息相关的领域。很多人中学时学过“催化”，知道它能加快化学反应，但“不对称催化”到底是什么？它为什么能得诺贝尔奖？又怎么影响我们的用药安全和生活成本？咱们就从最基础的讲起。

分子也有“左右手”：什么是手性？

先问大家一个问题：你的左手和右手一样吗？看起来好像没区别，但你试试把左手套进右手手套——肯定不合适。这就是“镜面对称”，像照镜子时的你和镜中人，看着一样，却永远不能完全重合。

化学里也有这样的“左右手”。很多化合物的碳原子上连了4个不同的基团，这些基团的排列方式会形成两种构型，我们叫它们R构型和S构型。就像左手右手，它们是镜像关系，却不能完全重叠，这就是“手性”。

这种看似微小的差别，在生命体中却有着天壤之别。构成生命体的20种氨基酸里，19种都是单一的L构型；DNA、蛋白质等生命分子也对“手性”有着严格的“偏好”，就像左旋螺丝钉只能搭配左旋螺帽。如果药物分子的“手性”不对，不仅可能无效，甚至会危害健康。

20世纪60年代的“反应停事件”至今令人痛心：沙利度胺本是用来给孕妇止吐的，但其S构型有强致畸性，R构型才有效。由于当时未能分离这两种构型，药物以“左右手混合”的形式上市，最终造成上万名“海豹肢”婴儿出生。这就是为什么药物合成时必须控制手性——差之毫厘，可能就是“治病”和“致病”的区别。

不对称催化：给分子反应装个“导航仪”

普通催化就像给反应“踩油门”，只负责加快反应速度；而不对称催化则多了个“方向盘”——它使用手性催化剂，在加速反应的同时，精准控制分子构建时的立体结构，让产物只生成我们需要的那种“手性构型”。

以治疗帕金森病的药物L-多巴为例，通过不对称催化氢化反应，能得到单一手性的有效成分；如果不用手性催化剂，得到的会是“外消旋体”——既有R构型又有S构型，就像左手和右手混在一起，药效大打折扣。这种“精准控型”的能力，正是不对称催化的核心价值。

手性催化剂如何实现这种精准控制？它就像为反应量身打造了一个“专属通道”。我常给学生打比方：就像鳝鱼在田里打洞，洞的弯曲弧度完全适配它的体形。手性催化剂会构建一个特殊的手性环境，只有匹配的分子才能进入，反应也只能按特定方向进行。

更形象地说，这就像锁与钥匙的关系：手性催化剂是“锁孔”，反应原料是“钥匙”，只有形状完全匹配，才能生成特定构型的产物。2021年诺贝尔化学奖关注的脯氨酸催化剂，以及我国周其林院士研发的螺环催化剂，都是靠这种“锁钥匹配”机制，实现了对产物分子结构的精准调控。

现在，我们发展的催化剂已经用到新药研发中。比如对抗疟药青蒿素产生抗药性的问题，我们的手性催化剂能高效合成候选新药NITD609，三步反应就能实现41%的总收率，远超传统拆分法的2%。

从实验室到生活：催化剂如何让好药更便宜

高效的手性催化剂，能直接降低制药成本。比如他汀类降血脂药，早年一公斤售价高达几千美元，如今因催化技术的突破，价格已降至几百人民币。这背后的逻辑很简单：催化剂效率越高，原料转化成目标产物的比例就越高。

假设投入100公斤原料，低效催化剂可能只能得到50公斤有效产品，剩下的50公斤成了废物，还要花钱处理；而高效手性催化剂能让95公斤原料转化为产品，既减少浪费，又降低了废物处理成本。就像手艺精湛的厨师，用同样的食材能做出更多美味，还不浪费一滴油。

我们团队研发的催化剂，曾将一款抗疟候选药NITD609的合成收率从2%提升到41%，仅用三步反应就完成了传统方法难以实现的转化。这类技术突破，让更多好药能从实验室快速走进寻常百姓家。

未来，不对称催化的终极目标，是实现“三个100%”：100%的产率、100%的立体选择性、100%的原子利用率。这意味着，原料中的每个原子都能转化为产品，不产生一点废物，既环保又高效。

催化技术早已融入我们的生活，从汽油、柴油到救命药，都离不开它。而不对称催化，正是用化学的精准，守护生命的精密。未来，我们会继续追求“完美催化剂”，让更多药物更安全、更便宜，让化学技术真正服务于生命健康。

来源：未来科学发展中心