现有氨基酸800个 其中(二十载耕耘，催开“手性”之花)

现有氨基酸800个 其中

杏坛耕耘数十载

来源:经济日报

国家自然科学奖一等奖获奖项目“高效手性螺环催化剂”揭秘——二十载耕耘，催开“手性”之花

院士寄语：

我最想对科技工作者说的话就是：找到你真正喜欢的方向，然后坚持下去。

“手性”，这个词听起来陌生，却是自然界的常见现象：大到宇宙星云，小到分子、原子等微观粒子，自然界的很多物质都是单一手性的。

刚刚落幕的国家科学技术奖励大会上，“高效手性螺环催化剂的发现”项目获得2019年度国家自然科学奖一等奖，该项目是由中国科学院院士、南开大学教授周其林领衔的研究团队完成的。

这种催化剂有何神奇之处？为何能获得我国基础科学领域的高等级奖项？经济日报记者带您一探究竟。

神奇的手性分子

“高效手性螺环催化剂”这9个字里，最让普通大众迷惑的是“手性”这个词。

“手性是一种比喻。就像我们的左手和右手，看起来一样，实际上不一样，它们互成镜像，但相互不能重叠。不管微观还是宏观，如果一个物体与其镜像不能重叠，我们就说它是‘手性的’。”

周其林院士告诉记者，“手性”这个词听起来陌生，却是自然界的常见现象。大到宇宙星云，小到蜗牛、牵牛花，甚至分子、原子等微观粒子，自然界的很多物质都是单一手性的，即要么都“向左”，要么都“向右”。比如，蜗牛的壳、牵牛花的藤，都是右手螺旋；天然氨基酸分子都是左手性的，糖分子都是右手性的。

对于周其林这样的化学家来说，最感兴趣的是“手性分子”。

为什么要研究“手性分子”？

手性分子是有机分子中的一大类，尤其在药物中占比更高。目前市售药物中超过一半都是手性分子，包括中国人合成的胰岛素和发现的青蒿素；在新药研究领域，在研的1200种新药中有820种是手性药，占比近七成。

而对手性的认识不足，有可能造成灾难性后果。“左手天才，右手疯子”，在手性分子研究领域并不是夸张的诗句，而是现实的警示。

对手性分子来说，左右手的区别看似微小，却常常会带来香与臭、甜与苦、药与毒的截然相反特性。

“香芹酮”分子的左手和右手，一个是薄荷味、一个是臭蒿味。

咖啡和冷饮里用到的“健康糖”是由两个氨基酸组成的二肽分子，比糖甜200倍，如果将其中的一个氨基酸换成相反手性，就会变成苦的。

上世纪50年代末，用于治疗妊娠恶心、呕吐的药物“反应停”被广泛使用。但在短短几年里，全球发生了以往极其罕见的过万例海豹肢畸形儿。科学家们后来研究发现，原来“反应停”的右手分子具有镇静效果，左手分子却有致畸作用，而当时市售的“反应停”是两种手性分子的混合物。

那么，我们可以只要有用的左手分子或右手分子，不要其无效甚至有害的异构体吗？

用传统方法来合成手性化合物，总是得到两种手性分子的混合物，需要再通过复杂的手性拆分把左右手分子分开，得到单一手性分子。这样做的缺点显而易见：成本高，浪费巨大。

农药中有很多也是手性农药。这些农药只有一半有效，另一半无效甚至对环境有害。

如何才能合成单一手性的化合物？科学家们将目光瞄向了催化剂。

“不对称催化是目前合成手性化合物最高效的方法。”周其林介绍，在化学反应中，催化剂就像分子机器，用原料（反应物）造出产品（生成物）。普通催化剂没有手性识别功能，会生成两种手性的混合物。而手性催化剂能识别手性，让反应只向一个路径发生，只生成特定手性的分子。

高效的周氏催化剂

让周其林团队获得国家自然科学奖一等奖的工作，就是发现了一类全新的手性螺环催化剂。

“螺环”指的是一种配体结构。这种手性螺环配体，是周其林团队首次提出和发现的，被称为“周氏螺环配体”。将其与不同的金属原子结合，可形成一系列的手性催化剂。催化剂分子中，金属原子提供反应位点、活性中心，让反应得以发生；配体给催化剂提供了识别功能，让反应有选择性地进行。

这项工作开始于20年前。

出生于1957年的周其林，1987年在中国科学院上海有机化学研究所获得博士学位，此后在德国、瑞士、美国从事博士后研究，又于1996年回国，到华东理工大学任教。

1999年，周其林转任南开大学教授。也正是在这一年，他选定了一类螺环结构来做“周氏配体”。

“我们做催化剂的，都想发现一个适用于很多反应的全新骨架结构，而不是简单的仅用于一个反应的单个催化剂。”回忆起20年前的选择，周其林笑称，之所以从成千上万的化学结构中，选定这种螺环结构，原因就在于“看它好看，看它顺眼”。

周其林给“周氏配体”定下了远大目标：一是选择性要好，让它合成右手分子，它就合成右手分子；二是效率要高，要用最少的催化剂分子合成出最多的生成物分子；三是适用范围要广，对多种合成反应都有效；四是让“周氏配体”成为平台分子，与不同金属合成，就能发展出种类繁多的手性催化剂。

目标远大，探索之路却崎岖难行。

中期考核时，周其林团队还没有发表过一篇关于手性螺环催化剂的论文。

“国际上研发出的手性催化剂很多，但真正有效并且被广泛采用的不多。在科学领域，成功的研究总是少数。做科研的人都会遇到各种困难，我认为克服这些困难，主要靠坚持。”谈及最初几年的实验失利，周其林很淡然，“有些人没能坚持，中途放弃或者换了研究方向，但我们坚持了下来”。

2000年，朱守非成为周其林的研究生。现在已成为南开大学教授的他，回忆起当年的导师非常感慨：“他让我们放松地凭兴趣探索，从来不批评我们。其实，他当时压力很大，来了几年都没发表过什么文章，却从未将压力转移到学生身上。”

一直到2002年，周其林团队终于做出了初步成果，发表了第一篇关于手性螺环催化剂的论文。

多年坚持不懈的努力中，最初的目标一点点变成现实：在手性螺环配体骨架上，已经设计合成了100余种手性螺环催化剂；手性螺环催化剂已经被国际上40多个小组跟进研究，目前已被应用于200余种不对称合成反应，并被用于多种手性药物的生产。

2011年，周其林团队还合成了一种新型的手性螺环铱催化剂，一个催化剂分子可以将455万个原料分子转化成目标分子，这一催化效率的世界纪录保持至今。在此之前，文献报道的最高活性手性催化剂的转化数为240万。

手性螺环铱催化剂的成果被《德国应用化学》选为封面论文。周其林说：“当时杂志让我做个封面，我选了长城的照片。不到长城非好汉，我们终于爬到了长城顶上。”

快乐的科研工作

周其林团队在手性螺环催化剂研究中遇到的困难，很大程度来源于其原创性。没人走过的路，总是要更难走一些。

南开大学教授谢建华也是团队成员之一，曾经是周其林指导的博士研究生，回忆起当初导师的教诲，他印象最深的是：“他总是告诉我，要原创，还要超越。”

这份成果的原创性和超越性，是国际同行公认的。手性螺环配体和催化剂在许多反应中都表现优异，成为“优势手性催化剂”。在此基础上，周其林还系统发展了相关手性配体和催化剂的设计方法。这些成果极大拓展了人们设计手性配体的想象空间，显著推动了不对称合成学科的发展。

上海交通大学常务副校长、中国科学院院士丁奎岭是此次提名该项目参与评奖的3位专家之一。他告诉记者，有3大提名理由：“这项成果在科学上有突破，带来了对螺环结构的新认知；在原创方面是引领性的，带来了全世界在手性催化剂领域的跟进研究；在应用方面，带来了催化剂的卓越性能，对药物的生产带来变革性影响，使其更加绿色、环保。”

目前，手性螺环催化剂已经成为合成化学中一个不可或缺的工具，帮助很多手性化合物的合成更加便利，并且也用于治疗高血压、心脏病、糖尿病，以及抗病毒等多种药物的生产。

催化剂这么好用，可以发财了吗？

“想发财可不能做这么高效的催化剂。”周其林笑着调侃，“生产1吨药品，买我们1克催化剂就够了，这赚不来大钱。”

对潜心于基础研究的周其林来说，“有什么用”固然重要，“能解决什么科学问题”更重要；“好发论文”不是目标，“发好论文”才是方向。

他选择研究手性是出于好奇。“手性有很多神奇的地方，它是合成化学选择性里最难的一种，因为看上去左手分子和右手分子一模一样，怎么就能区别出来呢？”

在探索未知的过程中，他满足了好奇心，也收获了大快乐。“天天探讨未知，这样的研究工作是一种享受，20年下来，我觉得非常愉快。”

在获得国家自然科学奖一等奖后，他接下来还会选择什么研究方向？

“手性螺环肯定还有发展，但已经不是我目前最主要的研究方向了。我的重心转移到更基础、更难的方向。”周其林把目光转向了新的“周氏催化剂”，希望能用二氧化碳和生物质替代现有化石原料来做有机合成。

“支撑我们现代生活的很多产品，都是从化石资源生产的。化石资源终将枯竭，这在能源上还不是大问题，毕竟有各种清洁能源，再配合新型的储能技术，可以替代汽油、天然气等产品；但从石油等化石资源生产的塑料、合成纤维、化肥、化学建材等，一旦石油用完了，拿什么来生产它们？能不能用二氧化碳和生物质原料做替代原料？”周其林说，这个研究才刚刚起步，是为几十年、甚至一百年以后做准备。（记者 佘惠敏）

二十载耕耘，催开“手性”之花,杏坛耕耘数十载