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手性可以追溯到地球上生命的起源。它廣泛存在于自然界的動植物的功能分子及其折疊的高級結(jié)構(gòu)中，其中的多面手性在DNA/RNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)里充分體現(xiàn)（圖1）。

圖1 DNA/RNA和蛋白質(zhì)中的多面手性

到目前為止，用多面手性分子來模擬或修飾DNA/RNA還未實現(xiàn)，因為此類有機小分子還未被設(shè)計和合成出來。手性在材料科學和其應(yīng)用的研究中的作用也顯得很重要，如液晶，偏振光及許多其他光電材料。在現(xiàn)代生物醫(yī)藥中，很多藥物分子需要利用手性來控制藥理作用，提高藥用效率，減少和降低對人體的副作用， 因此,手性在生物醫(yī)藥和化學制藥中也起到了關(guān)鍵作用，具體表現(xiàn)在藥物的設(shè)計和研發(fā)方面。手性因其在生物、化學、材料和交叉學科中的特殊地位，一個多世紀以來一直受到科學界和社會大眾的廣泛關(guān)注。

眾所周知合成化學是中心學科之一，所有的非天然物質(zhì)，天然產(chǎn)物的模擬和修佈都需要經(jīng)過人工合成。而手性化學，尤其是不對稱合成和不對稱催化反應(yīng)的研究已經(jīng)成為化學中最為活躍的領(lǐng)域之一。文獻中的手性可分為以下幾類：中心手性，軸手性（主要基于諾貝獎成果BINAP), 螺旋手性，雙面手性（主要基于諾貝獎成果二茂鐵）（圖2）。

以往研究中，學術(shù)界關(guān)于穩(wěn)定的多面3D手性小分子的努力一直未能成功。學術(shù)界一直在期待著第五類手性的誕生。

多面3D手性是李桂根團隊在進行開發(fā)GAP化學（Group-Assisted Purification 化學）項目過程中發(fā)現(xiàn)的。GAP化學指的是在反應(yīng)底物中引入特殊的手性或非手性官能團來進行合成反應(yīng)，由于此類官能團的存在，油狀產(chǎn)物自動轉(zhuǎn)變成固體；幾乎所有的GAP固體產(chǎn)物的純化，只需要在過濾漏斗中簡單洗滌，從而避免了傳統(tǒng)的色譜（使用大量的硅膠和溶劑）和重結(jié)晶純化，讓合成化學更加綠色環(huán)保。該團隊已經(jīng)成功利用GAP技術(shù)回收和循環(huán)使用有機催化劑，還發(fā)現(xiàn)有些特定的GAP官能團能夠提高反應(yīng)產(chǎn)率，尤其是在實現(xiàn)多肽產(chǎn)品的定量或接近定量合成中。GAP化學是第一個集于四個要素：試劑、反應(yīng)、分離和提?。ㄎ锢砗突瘜W要素），與一體的概念（圖3）。

為尋找新的具有手性且高效的GAP試劑，研究人員嘗試在1，2-雙氨上引入2個8-苯基萘基團，希望可以更好地控制GAP試劑的反應(yīng)性和不對稱反應(yīng)的選擇性。但化學合成未能成功，主要問題是在雙C-N鍵偶聯(lián)的步驟。傳統(tǒng)的催化體系下偶聯(lián)反應(yīng)不能進行，或者反應(yīng)產(chǎn)率極低。通過對Buchwald-Hartwig 偶聯(lián)反應(yīng)的條件和對底物的篩選，雙C-N鍵偶聯(lián)反應(yīng)得以進行， 從而使得GAP產(chǎn)物（新的磷酰氨）的多步全合成順利完成 （圖4）。

進一步通過使用手性高壓液相色譜方法，分離出它的兩個鏡像異構(gòu)體，并且得到其中一個鏡像異構(gòu)體的單一晶體。對其進行X射線衍射分析，驚喜地發(fā)現(xiàn)了一種全新的多面3D手性。使用同樣方法，又分離出磷酰氨前體（磷酰氯）的鏡像異構(gòu)體，并且進一步將磷酰氯轉(zhuǎn)化成一系列多面3D手性衍生物（圖5）。

更有趣的是，多面3D手性化合物和前體表現(xiàn)與正常有機小分子不一樣的物理特征：形成長短不一的棒狀固體，長度可達幾厘米(圖6B); 當它們在一個適當大小的圓底燒瓶中蒸發(fā)時，形成雀巢穴型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和多種具有規(guī)則的圖案 (圖6C&D)。同時，文章中所有的多面3D手性化合物表現(xiàn)出多種色彩熒光 (圖6A) 和AIE（聚集誘導發(fā)光）特性。其中一些分子顯示出超強的旋光特征，為今后研究新型液晶，偏振光及其它光電材料提供了新的分子基礎(chǔ)。

值得一提的是，在一系列多面3D手性衍生物中，手性有機磷化合物占據(jù)著特殊地位，因為它們可以形成手性磷配體，而手性磷配體在很多過渡金屬催化和有機小分子催化不對稱反應(yīng)中起著重要的作用。手性磷配體催化的不對稱加氫（諾貝獎成果）是目前為止最成功的不對稱催化反應(yīng)，并且在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，然而設(shè)計和合成更有效的手性磷配體，以便提高催化反應(yīng)活性和選擇性方面，仍然具有挑戰(zhàn)性。發(fā)展新型高效手性磷配體在今后相當長的一段時間內(nèi)，仍舊是手性化學的熱點。為此，多面3D手性的發(fā)現(xiàn)為新型手性磷配體提供了全新的不對稱誘導環(huán)境和工具，而且?guī)缀跛械拇呋瘑卧虼呋行亩伎梢澡偳兜蕉嗝?D的框架上，以控制不對稱有機反應(yīng)用于新型藥物和有機材料的合成和生產(chǎn)。

新發(fā)現(xiàn)的多面3D手性與傳統(tǒng)手性的本質(zhì)性區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

穩(wěn)定的多面3D手性在Research上的發(fā)表，標志著第五類手性的誕生。初步結(jié)果表明，它有望領(lǐng)引出新的研究領(lǐng)域，并在未來的化學、醫(yī)藥和材料科學領(lǐng)域里產(chǎn)生廣泛而深遠的影響。與此同時，由此衍生出的多面3D手性和潛手性化合物和相關(guān)物質(zhì)產(chǎn)品，將來會有經(jīng)濟應(yīng)用價值。多面3D手性為不對稱合成和不對稱催化提供了新思路，開辟了一條新通道。

李桂根現(xiàn)任美國德州理工大學最高榮譽教授（Paul Whitfield Horn Professor) 和南京大學Adjunct教授。中國國家級特聘專家和杰出青年基金獲得者（B類， 2009)。1995年至1997年在美國Scripps研究所博士后工作期間，在K. Barry Sharpless教授的2001年諾貝爾化學獎研究課題—Catalytic Asymmetric Aminohydroxylation （Sharpless AA 反應(yīng)）中起到核心作用。

李桂根共發(fā)表論文 330余篇，h-Index = 53，其中7篇論文為 top 1% 高被引論文，其中一篇為領(lǐng)域熱點論文；連續(xù)幾年入選“中國高被引學者” 。連續(xù)多年參加中美兩國國家級項目的評審。

主要學術(shù)貢獻：（1）發(fā)現(xiàn)并定義多面3D 手性，有機三明治手性，多面pseudo C2 對稱性 。（2) 建立新型手性GAP試劑和 GAP化學和技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)無需柱層析或重結(jié)晶的綠色化學合成。（3）實現(xiàn)金屬催化烯烴/炔烴的胺鹵化和雙胺化反應(yīng)（4）建立世界上第一臺多肽液相合成儀的  (as a co-founder of USA company called“GAPetides, LLC”: www.GAPPeptides.com)；（5）提出了GASyn 化學 (Group-Assisted Synthesis 化學) 新概念，利用官能團的設(shè)計來提高有機合成的效率。（6）實現(xiàn)不對稱催化allenoate/allenolate的Aldol 反應(yīng)，并具用于beta鹵代Morita-Baylis-Hillman （MBH）產(chǎn)物的合成， 同時實現(xiàn)非路易斯堿誘導的MBH反應(yīng)。