不对称催化是催化的一种形式，其中催化剂优先促进某一种立体异构体的生成，而非另一种。其最常见的应用是制备化合物的两种互为镜像的形式之一，这两种形式称为对映异构体。催化剂提供具有选择性的反应环境，并在催化循环中再生，因此用量相对较少的催化剂就能影响大量底物分子的立体化学结果。这一领域连接了有机化学、金属配合物化学和生物合成，为手性化合物的生产提供了重要方法。(nobelprize.org)
手性与立体化学选择性
手性是指物体或分子无法与其镜像重合的性质。分子的手性通常源于连接四个不同取代基的四面体构型碳原子，但其他结构排列也能产生手性。对映异构体具有相同的原子连接方式，却具有相反的空间构型；它们与其他手性分子，包括生物受体和酶，相互作用的方式可能不同。正是这些差异，使得控制分子的手性在化学合成中十分重要。(nobelprize.org)
许多不对称催化反应以潜手性底物为起点，即可通过适当转化变为手性分子的非手性分子。在没有手性因素影响时，等价的反应路径通常会生成等量的两种对映异构体，形成外消旋体。手性催化剂则使这些反应路径不再等价。这与在每个底物分子上连接化学计量的手性辅助基不同，因为催化剂可以反复传递立体化学信息，而不会留在分离得到的产物中。(nobelprize.org)
机理基础
选择性通常反映了相互竞争的过渡态之间的差异。当非手性底物与手性催化剂相互作用时，通向不同对映异构体的反应路径可能经过互为非对映异构关系的催化剂—底物组合，其活化自由能各不相同。因此，空间位阻、电子效应和非共价相互作用都可能使某一路径更有利。需要注意的是，含量最多的催化剂—底物配合物，不一定反应最快，也不一定决定主要产物的形成。(nobelprize.org)
催化剂的结构决定了底物如何接近反应位点。在金属配合物中，手性配体会改变金属周围环境的几何结构和电子性质。有机催化剂可以形成暂时性的共价中间体，也可以通过氢键等相互作用使反应物有序排列。因此，选择性取决于整个催化体系，包括底物结构、温度、添加剂和溶剂，而不只是催化剂的手性。(nobelprize.org)
主要催化剂类别
金属配合物催化。 这一分支利用配位化学原理，将具有反应活性的金属中心与手性配体结合。不对称氢化在向适当的不饱和底物加氢的同时，控制产物的构型。威廉·诺尔斯研究的铑—膦体系，以及野依良治开发的钌体系，成为这一领域的奠基性范例。手性双膦配体BINAP是这类化学反应中具有重要影响的配体。(nobelprize.org)
不对称氧化是另一大类反应。夏普莱斯不对称环氧化利用钛—酒石酸酯催化体系，将适当的烯丙醇转化为对映体富集的环氧化物。这类产物是有用的中间体，因为后续转化可以利用其已经确立的立体化学特征，构建更复杂的结构。(nobelprize.org)
有机催化。 有机催化以有机小分子作为催化剂。胺类催化剂可以通过形成烯胺或亚胺鎓离子中间体来活化羰基化合物，从而实现选择性的碳—碳键形成。本杰明·利斯特和戴维·麦克米伦于2000年分别独立报道的研究进展，以脯氨酸催化的羟醛反应和咪唑烷酮催化的环加成反应为核心。此前已有相关实例，但这些研究推动建立了具有广泛适用性的研究框架。(nobelprize.org)
生物催化。 生物催化利用酶或生物系统进行化学转化。它们的手性活性位点可以区分底物的不同取向，或与不同的对映异构体发生不同的反应。定向进化通过反复改变和筛选酶的序列，可以提高甚至逆转其对映选择性。对脂肪酶和单加氧酶的实验研究表明，氨基酸序列的变化可以显著改变反应的立体化学结果。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
选择性的衡量与混合物的拆分
对于含有两种对映异构体的产物，对映体过量通常表示为
[ ee=\frac{|n_1-n_2|}{n_1+n_2}\times100%, ]
其中，(n_1) 和 (n_2) 分别是两种对映异构体的物质的量。因此，比例为95:5的混合物具有90%的ee值。这一指标衡量的是组成，而非化学收率：选择性很高的反应，仍可能只能分离得到少量产物。对映体比则直接给出两种对映异构体的比例。(old.goldbook.iupac.org)
不对称催化剂还可用于动力学拆分，其中外消旋体中的两种对映异构体以不同速率反应。因此，未反应的底物和产物都可能得到对映体富集。对于起初含有等量两种对映异构体的混合物，若不进行回收再利用或对映异构体之间的相互转化，常规拆分获得单一对映异构体的理论收率上限为50%。动态动力学拆分将选择性反应与底物对映异构体之间的相互转化相结合，当这两个过程相容时，就有可能突破这一限制。(old.goldbook.iupac.org)
发展与工业应用
2001年诺贝尔化学奖表彰了诺尔斯和野依良治在手性催化氢化方面的贡献，以及K.巴里·夏普莱斯在手性催化氧化方面的贡献。2021年的该奖项则表彰了利斯特和麦克米伦在发展不对称有机催化方面的贡献。这些奖项所涉及的是这一广阔领域中的不同研究途径，而非某一种通用的催化方法。(nobelprize.org)
用于生产左旋多巴（L-DOPA）的不对称氢化，是早期工业应用的一个里程碑。更普遍地说，通过催化控制立体化学，可以减少对合成后分离不需要的对映异构体的依赖。然而，工业应用所需的不只是高ee值：催化剂的生产效率、耐久性、底物适用性、成本以及产物纯化，共同决定了实验室反应能否成为实用的生产工艺。野依良治在开发不对称催化方法时，明确将这些科学和技术要求结合起来。(nobelprize.org)