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2020年11月17日

中大化學家研發新型催化系統以設計嶄新化合物  豐富化學「工具箱」 增加製藥選擇

2020年11月17日
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圖一:在自然界中,很多化合物均擁有手性及左右不完全對稱的特性。圖中的「左」化合物S-檸檬烯(S-limonene)會發出檸檬香味,而其對應的「右」化合物R-檸檬烯(R-limonene)的味道像橘子。

圖二:謝應龍教授及楊英洋教授的研究團隊成功合成「手性鹵代螺環化合物」,並解釋其製備過程。

謝應龍教授

楊英洋教授

合成藥物是按照特定疾病的特性,設計及組合不同的化學成分,這過程與拼砌模型類似。如果某個特殊模型部件無法製造出來,整個設計就不能實現。同樣地,開發新藥物有時需要用上全新的化學結構單位。 

近日,香港中文大學(中大)化學系的研究人員,研發出首個用於製備「手性鹵代螺環化合物」(chiral halo-spiro compound)的新型催化系統。它是一種極具潛力、可用於不同類型藥物的化合物。今次研究將豐富新藥設計的化學「工具箱」,製藥行業將來有更多原材料可供選擇。研究結果已刊登於著名科學期刊《自然催化》(Nature Catalysis)。 

自然界對選擇「左」或「右」有所偏愛 

我們的雙手是互為鏡像,不論怎樣移動及旋轉雙手,都無法令他們的外觀變得一樣;在自然界中,很多化合物均擁有同樣特性。它們的外型十分相似,卻左右不完全對稱,無法透過平移和旋轉與其鏡像重疊,這個特性稱為手性(chiral)。「左」與「右」化合物存在的化學差異通常會衍生不同的生理特性,例如「左」化合物S-檸檬烯(S-limonene)會發出檸檬香味,而其對應的「右」化合物R-檸檬烯(R-limonene)的味道像橘子(參見圖1)。 

在藥物層面,手性不同可影響生死,所以控制藥物分子的手性至關重要。不過,不同手性化合物之間的結構十分相似,生產及分離它們均存在極大技術困難。目前所生產的手性化合物大多是結構簡單的分子,限制了相關應用。 

由中大化學系謝應龍教授楊英洋教授帶領的研究團隊,透過計算與實驗,設計出一種可製備手性鹵代螺環分子的新穎催化系統(參見圖2)。手性鹵代螺環分子的結構複雜,優點是其剛性骨架對藥物研發方面十分有用。此外,將鹵原子添加到螺環化合物中,可大大提高藥物設計之自由度。 

謝教授基於量子力學的計算理論是這套催化系統的為核心。謝教授表示:「由於手性分子結構的計算必須非常準確,導致研發成本十分昂貴。新系統能讓我們在不犧牲準確度的前提下,透過巧妙的運算提高效率,在研發時考慮更多現實條件,並將計算結果與實驗資料作比較。配合實驗和電腦運算,將大大增加未來化學研究及藥物開發的可能性。」 

有關謝應龍教授 

謝教授及其研究團隊一直利用理論與計算方法研究多個化學題目。他們與楊英洋教授合作,嘗試了解「催化劑」如何加快有機反應。 

謝教授於美國史丹福大學(Stanford University)取得博士學位,亦曾於芝加哥大學(The University of Chicago)進行博士後研究。

可瀏覽以下網址參閱論文的完整版本:
https://www.nature.com/articles/s41929-020-00530-9



圖一:在自然界中,很多化合物均擁有手性及左右不完全對稱的特性。圖中的「左」化合物S-檸檬烯(S-limonene)會發出檸檬香味,而其對應的「右」化合物R-檸檬烯(R-limonene)的味道像橘子。

圖一:在自然界中,很多化合物均擁有手性及左右不完全對稱的特性。圖中的「左」化合物S-檸檬烯(S-limonene)會發出檸檬香味,而其對應的「右」化合物R-檸檬烯(R-limonene)的味道像橘子。

 

圖二:謝應龍教授及楊英洋教授的研究團隊成功合成「手性鹵代螺環化合物」,並解釋其製備過程。

圖二:謝應龍教授及楊英洋教授的研究團隊成功合成「手性鹵代螺環化合物」,並解釋其製備過程。

 

謝應龍教授

謝應龍教授

 

楊英洋教授

楊英洋教授

 

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