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有機催化連鎖反應

 
 
有機化合物是組成物質世界的重要分子,它們是生命的起源,也是構成日常生活中的美食佳餚、使用的寶特瓶、穿著的華美衣物,或生病時所服用藥物的組成分子。
▲有機化合物是組成物質世界的重要分子,它們是生命的起源,也是構成日常生活中的美食佳餚、使用的寶特瓶、穿著的華美衣物,或生病時所服用藥物的組成分子。
 
有機化合物是組成物質世界的重要分子,它們是生命的起源,也是構成日常生活中的美食佳餚、使用的寶特瓶、穿著的華美衣物,或生病時所服用藥物的組成分子。有機分子以碳原子為主要的分子架構,它可與其他原子或官能基形成鍵結,結構成千變萬化的有機分子。也因為碳的特殊鍵結特性,當碳的四個鍵接上不同原子或官能基時,就會產生具有鏡像關係的立體異構物,如同我們的左手、右手,在鏡中與另一隻手一模一樣,實際上卻無法把左右手重疊在一起,因此也稱為「鏡像異構物」或「對掌異構物」。
 
對掌異構物之間有相同的物理與化學性質,但在生物體對掌環境中的生理活性卻可能有很大的不同。以藥物來說,輕者無藥效,嚴重的話甚至會對人體產生毒害。因此在設計合成藥物的研究時,如何調控有機分子的立體化學中心,以產生正確的掌性異構物,是藥物發展的重要課題。
 
臺灣師範大學化學系陳焜銘教授在有機不對稱合成領域有相當豐富的研究成果,其研究領域是探討有機手性催化連鎖反應。陳教授表示過去研究催化反應是使用金屬原子作為催化劑,因為金屬的特性是缺電子,在化學反應中作為路易士酸,使反應物結構系統更傾向於缺電子,讓反應可以迅速進行。然而,使用金屬作為催化劑會有金屬殘留問題。
 
在1970年代,Hajos 和 Parrish 發現經脯氨酸(proline)催化的分子內羥醛反應,因其具有高度選擇性、毒性低且價格便宜的特性,使得脯氨酸成為有機不對稱催化上備受注目的焦點。陳焜銘教授的研究團隊就以L-脯胺酸為分子架構,發展出多種有機催化反應,其目標產物的鏡像選擇性可達到95% enantiomeric excess以上。
 
近年來,陳教授團隊以2-arylideneindane-1,3-diones及其衍生物作為Michael acceptor,加上合適的親核試劑(nucleophile),並以有機小分子作為催化劑,進行麥可加成反應(Michael reaction,又稱1,4-加成反應),發展出有機催化鏈鎖反應。
 
其中值得關注的是bicyclo[3.3.1]nonan-9-one 骨架的合成方法,雖然起始物4號位置較缺電子,理論上應先進行麥可加成反應,讓電子由4號位置供給,最後停留在1號位置。但在這個系統中,反而是先進行1,6-加成反應。「未來如果藥物合成方面需要1,6-加成反應的方式,便可以參考我們的研究成果。」
 
談起研究成果可能的應用,陳教授表示實驗室的主軸偏向基礎研究,以有機手性催化連鎖反應所發表的相關文獻來說,目的是希望能在更短時間內建構出更多的碳─碳鍵、碳─氮鍵、碳─氧鍵等,並且希望能控制產物分子的立體化學中心,以合成出結構特殊且具有生理活性的分子。
 
「其實實驗室所得到的合成方法離產業應用仍有一段距離,但是基礎研究的發展可以提供後端的研究者參考,幫助他們突破合成新的藥物分子所面臨的瓶頸。」陳焜銘教授說,這如同做菜一般,餐廳可提供各式各樣的食材,但最終還是得讓廚師挑選合適的材料,去完成一道道的美味佳餚。
 
開發新菜色,嘗試組合不同食材或新的烹調方式時,難免會有失敗的時候,成品可能不如預期,但也可能激盪出令人驚豔的新口味。有機化學合成也是如此,實驗進行以前,雖然可以根據反應物、反應條件等預想可能會有的結果,但真正作出來的結果如與預期大不相同,也只能依據實驗結果做滾動式的調整。陳教授說:「實驗結果不如預期也沒關係,有時候可能有令人驚艷的結構產生,反而更好。」目前他所發展出來的有機合成方法,可以為未來的研究者提供更多元的參考資訊!
 
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