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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
新开发的化学反应能否被成功利用取决于多种因素，例如实验装置的便利性以及试剂和副产物的毒性。最重要的是，理想的反应应该是为以前未使用过的广泛底物分子可靠地生成预期的产物。然而，一个反应的普遍性通常需要在各种合成中重复使用后才能被验证。化学家们努力以最有效的方式制造复杂分子。因此，各种方法不断被开发，以形成新的化学键，并以高产量制备产品。
然而，有些分子具有手性，这意味着它们可以形成两种可能的异构体，它们是彼此的镜像。这些异构体（称为对映体）具有相同的物理性质，但在手性环境中（如我们身体中的蛋白质结合囊）的行为却截然不同。就药物化合物而言，只有一种对映体可能具有所需的生物活性，而其对映体是有害的。因此，药物化学家需要能够制造单一对映体。
虽然亟需开发单一对映体的合成方法，但仍存在以下问题：大多数反应生成的手性分子是对映体的一对一混合物，很难实现单一对映体的定向合成。2、自然界中单一对映体可以得到手性化合物，但类型有限自然界中发现的单一对映体结构单元开始化学合成有时可以得到手性化合物，如氨基酸和糖，都是以单一对映体的形式产生的。然而，这种方法受到在生物系统中发现的有限的对映纯化合物的限制。3、不对称催化转化对映选择性低，需大量优化以确定理想条件不对称催化可以使用手性、对映纯催化剂将底物转化为目标手性产物。但首次尝试时，大多数不对称催化转化对映选择性较低，需要进行大量优化以确定理想的催化剂和反应条件。传统的优化过程包括在各种条件下使用模型底物测试多种催化剂以及使用更复杂的分子测试优化的催化剂和条件，以探索反应的普遍性。但这种方法忽略了对分子类别有效的催化系统，模型的理想催化剂可能对其他底物不起作用。多底物筛选虽然减小了实验量，但只能同时分析五到十种底物，以最小化实验中产物重叠峰的风险。只有少数研究采用了多底物筛选来发现不对称催化反应。
新思路
有鉴于此，哈佛大学Eric N. Jacobsen等人提出了一种实用的方法，从一开始就使用多个模型底物来同时选择不对称催化反应中的对映选择性和通用性。通过对混合样品进行超临界流体色谱-质谱联用的高通量手性分析，实现了多底物筛选。当应用于Pictet–Spengler反应时，多底物筛选方法明确了具有前景的普适性催化剂，该催化剂甚至能够对筛选集之外的底物表现较高的对映立体反应选择性。
技术方案：
作者将样品池和超临界流体色谱法结合，以质谱作为检测方法，实现了不同产物的快速同时测定，合并的SFC–MS将达到直接优化使用多个底物的通用性的实用程度。作者将Frankenstein”模型和参数拟合方法结合在一个程序中，用于分析色谱数据，实现了从部分分离的对映体中提取准确的积分。通用性筛选工作流程包括三个步骤：底物选择、反应筛选和高通量手性分析。以Pictet–Spengler反应的不对称催化作为研究对象，验证了新的高通量对映体选择性测定方法和“通用性筛选”概念的可行性。揭示了围绕单一模型底物组合进行优化的风险，以及使用多底物筛选准确评估和优化给定方法的价值
1、实现了产物色谱峰和质量的同时分析，大幅提高分析准确度作者使用超临界流体色谱-质谱（SFC-MS）对产物进行分析，不仅可以从色谱分析中的峰检测产品，还可以通过其分子质量检测产品。对于具有重叠峰的类似化合物，只要它们的分子质量不同，仍然可以同时分析。开发了计算峰拟合模型，该模型能够准确分析重叠对映体峰。作者证明，对于一组14种底物，可以快速确定最通用的催化剂和反应条件，这些底物的选择是为了最大限度地提高筛选集所代表的结构多样性。研究表明，富电子底物的反应得益于某些溶剂的使用，而这一点在传统的研究中可能被忽视，因为传统的研究关注的是不富电子的单一底物。
技术细节
对映选择性分析
最常用的分析方法包括高效液相色谱法（HPLC）或超临界流体色谱法（SFC），其中手性固定相（CSP）使用等度洗脱和紫外（UV）-可见（Vis）检测。这种方法能够分离大多数产品，但由于需要基线分离，必须排除干扰分析物。作者通过将样品池和SFC相结合，以质谱（MS）作为检测方法，可以实现对不同产物的快速同时测定。
分析协议
作者首先使用一组商用化合物，使用标准色谱柱评估SFC-MS用于快速测定单个和混合样品的性能，证实了在低浓度下分析方法具有良好的信噪比，便于在微米级进行高通量反应分析。作者开发一种通用的峰拟合方法，从部分分离的对映体中提取准确的积分。通过掌握的单样本分析方法，作者还评估了合并样本的准确性。
概念验证
选择Pictet–Spengler反应的不对称催化说明新的高通量对映体选择性测定方法和“通用性筛选”概念的应用。通过单样品SFC-UV检测获得的对映体选择性值与合并样品SFC-MS之间达到了可接受的一致性。为了识别具有代表性的醛/色胺组合，作者构建了一个包含340个潜在四氢-β-碳啉产物的数据库，生成了分子指纹，这些产物涵盖了化学空间中基本上未被报告方法探索的区域。识别了催化剂之间行为的相关性，突出了围绕单一模型底物组合进行优化的风险，以及使用多底物筛选准确评估和优化给定方法的价值。图 高通量e.e.对映体选择性催化Pictet–Spengler反应的测定
反应优化
作者发现溶剂效应高度依赖于催化剂，在2MT中对手性磷酸xii进行的反应中观察到对映选择性增强，但在氢键供体催化剂i中没有观察到系统性改进。为了评估针对14种模型产品优化的条件的可转移性，针对之前未测试的三种底物组合测试了一部分催化剂。证明了催化剂xii的有效性，并在综合相关条件下提供有用的对映选择性。与传统测定方法相比，本研究中概述的分析工作流程在准确度方面略有下降，但同时分析多种粗反应混合物的能力却大大减少了方法开发和分析时间。因此，催化剂结构和反应条件的优化更容易在多种底物组合中进行，从而增加了确定普适性方案的机会。
展望
总之，作者开发了一种多底物筛选方法，通过大幅减少所需的筛选实验数量，多底物筛选对于快速、资源高效地开发通用合成方法具有很大的前景。鉴于过去几年分析仪器的进步，本研究是朝着这个方向的一次飞跃。下一步应该是改进在单个反应容器中进行多次实验的方法。如果能够做到这一点，那么在未来不对称催化研究中，时间限制因素不是反应条件的筛选和分析，而是催化平台的合理设计和优化。
参考文献：
Manuel J. Scharf, et al. A leap forward in the quest for general catalysts. Nature, 2022,
https://doi.org/10.1038/d41586-022-03173-x
Wagen, C.C., McMinn, S.E., Kwan, E.E. et al. Screening for generality in asymmetric catalysis. Nature (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05263-2
