2020年1月10日上午，2019年度國家科技獎(jiǎng)揭曉，被視為“原創(chuàng)性最強(qiáng)、科學(xué)價(jià)值最高”的國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，頒給了南開大學(xué)周其林團(tuán)隊(duì)的“高效手性螺環(huán)催化劑的發(fā)現(xiàn)”。

周其林帶領(lǐng)的課題組發(fā)現(xiàn)了一類全新的手性螺環(huán)配體骨架結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一系列選擇性好、轉(zhuǎn)化效率高、適應(yīng)性強(qiáng)的手性螺環(huán)催化劑，將手性分子的合成效率提高到一個(gè)新高度。

該獎(jiǎng)項(xiàng)提名人之一、上海交通大學(xué)常務(wù)副校長丁奎嶺院士認(rèn)為，周其林課題組的原創(chuàng)性工作不僅引領(lǐng)了國際手性催化研究，而且在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)了基礎(chǔ)科研的作用和價(jià)值。

這篇來自“騰訊科學(xué)”的專訪，可以幫我們更好地了解“手性”、“催化劑”、“螺環(huán)配體”等復(fù)雜概念，并從只言片語中一窺大科學(xué)家的風(fēng)采。

2018年11月18日，因?yàn)榘l(fā)明了更優(yōu)良的催化劑，在提高化學(xué)合成效率、加快藥物研發(fā)和生產(chǎn)的同時(shí)還降低了成本，周其林和另外兩位化學(xué)家馬大為、馮小明一起共享了2018未來科學(xué)大獎(jiǎng)“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”。頒獎(jiǎng)禮當(dāng)天，騰訊科學(xué)對(duì)周其林院士進(jìn)行了專訪。

周其林院士從生活中的手性出發(fā)，就其研究領(lǐng)域“手性催化”，為大家做了通俗而有趣味的講解。

看似高深莫測的“手性”，其實(shí)與人類生活密切相關(guān)。并且，還關(guān)系到生命起源。

手性無處不在，成因眾說紛紜

“手性”這個(gè)詞聽起來雖然陌生，但它其實(shí)是自然界的基本屬性。

周其林院士介紹說，“手性”是指自然界的一種現(xiàn)象。大到我們的宇宙星云，小到比如蝸牛、牽?；?，仔細(xì)觀察，都有特定的方向。像蝸牛的殼，都是右手螺旋；牽?；ǖ奶伲L時(shí)也總是以右手螺旋方向纏繞。在更小尺度的微觀分子層面，也有類似現(xiàn)象。比如組成我們生命的一些基本物質(zhì)，氨基酸分子都是左旋的，糖分子都是右旋的。我們把這種現(xiàn)象稱為手性現(xiàn)象。

“手性”這個(gè)名稱的由來，“其實(shí)是一種形象的比喻”。周其林院士說，就像我們的左手和右手，看起來一樣，實(shí)際上不一樣，學(xué)術(shù)的說法叫“互成鏡像，但相互不能重疊”。不管從微觀還是宏觀，如果物質(zhì)有兩種形式，就像左手和右手一樣，互成鏡像，但是不能重疊，這類物質(zhì)我們就叫“手性物質(zhì)”；如果一個(gè)物體，其鏡像不能與原物體重疊，我們就說它是“手性的”。

手性可以“向左（左旋）”，也可以“向右（右旋）”。但實(shí)際上，我們現(xiàn)在看到的很多物質(zhì)，都是單一手性的：要么都“向左”，要么都“向右”。這是怎么形成的呢？有很多種解釋。

周其林院士說：一種觀點(diǎn)是，慢慢進(jìn)化來的?！霸缙冢ǖ厍蛏系奈镔|(zhì)）是完全對(duì)稱的，即左旋的和右旋的量相等，由于偶然的因素，一個(gè)變得多了一點(diǎn)——稱之為對(duì)稱性破缺?！苯?jīng)過億萬年的進(jìn)化，多的那個(gè)變得越來越多，少的那個(gè)變得越來越少，最后自然進(jìn)化成現(xiàn)在的單一手性。還有一種說法是，地球上的手性是外來的。比如慧星掃過地球的時(shí)候飄落的一些東西；還有隕石，在澳大利亞就發(fā)現(xiàn)了一顆隕石（Murchison meteorite），從上面分離出一些地球上本身不存在的手性氨基酸。人們就推測，地球上早期是沒有手性的，只是受到外來物影響，導(dǎo)致地球上的對(duì)稱性破缺。

除地球說和外來說以外，還有很多有關(guān)手性起源的假說。但真實(shí)情況到底是怎樣的？周其林院士說，“至今都很模糊”。自然物質(zhì)為何會(huì)發(fā)展出單一手性？“在生命的起源還沒有回答之前，手性的起源也是沒法回答的。”

同時(shí)，周其林院士也提到，微觀手性分子能組成宏觀手性物體，但組成宏觀手性物體并不一定需要微觀手性物質(zhì)。也就是說，“非手性的微觀物質(zhì)，如非手性分子也能組裝成宏觀手性物體”。比如，二氧化硅分子（沙子的主要成分）本身并沒有手性，但是它堆積在一起就有可能產(chǎn)生一塊手性晶體，石英。跟由手性分子組成單一手性的宏觀物體不同，這種由非手性分子組成的宏觀手性物體的手性是不確定的，有時(shí)得到“向左的”，有時(shí)得到“向右的”，有時(shí)得到“向左”和“向右”的混合物。

手性與生活息息相關(guān)，曾引發(fā)巨大災(zāi)難

雖然聽起來拗口，但手性其實(shí)與我們的生活密切相關(guān)。最著名的例子，就是上世紀(jì)50年代的“反應(yīng)停”事件。這是一種藥物，學(xué)名叫沙利度胺，其分子是手性的，其中，右旋分子有鎮(zhèn)靜功效，而左旋分子卻會(huì)導(dǎo)致胎兒畸形。當(dāng)時(shí)人們將右旋分子和左旋分子的混合物一同入藥，用于治療孕婦在孕早期的妊娠嘔吐，結(jié)果導(dǎo)致大批畸形嬰兒的出生。

在我們的日常生活中，也有一些例子。比如說咖啡和冷飲里面用到的“健康糖”，這個(gè)東西其實(shí)不是糖，而是兩個(gè)氨基酸組成的肽，它是一種甜味劑，吃了不會(huì)發(fā)胖，并且比糖甜200倍，2毫克就相當(dāng)于原來一大包糖。組成“健康糖”的兩個(gè)氨基酸分子都是單一手性的。如果是另一種手性會(huì)怎樣呢？“味道是苦的”。

怎么解釋呢？周其林院士說，因?yàn)?strong>組成我們生命的基本物質(zhì)是手性的，比如氨基酸、蛋白質(zhì)、DNA、糖以及糖組成的纖維素分子等，都是手性的。組成我們?nèi)梭w感官的一些物質(zhì)，也是手性的。并且是單一手性的。那么外來物質(zhì)，比如吃的東西，藥物，手性不相同的時(shí)候就能感知，反映出來就是苦和甜，有毒或無毒，非常清楚的區(qū)分。

“這是人體對(duì)外來物的識(shí)別”，周其林院士說，其實(shí)，手性催化和它的原理是一樣的。識(shí)別導(dǎo)致人感到苦或甜、毒性或非毒性；手性催化劑也能識(shí)別反應(yīng)物，使其反應(yīng)或不反應(yīng)。在反應(yīng)中，催化劑就像分子機(jī)器，用原料（反應(yīng)物）造出產(chǎn)品（生成物）。手性催化劑能夠識(shí)別手性，讓反應(yīng)只向一個(gè)路徑發(fā)生，或者說，只生成特定手性的產(chǎn)物，而不是像普通催化劑一樣，生成兩種手性（左旋和右旋分子）的混合物。

借助這種手性識(shí)別，我們就能制造出只含右旋分子的沙利度胺，從而避免“反應(yīng)?！钡谋瘎?。對(duì)于其它手性物質(zhì)，我們也能直接生成所需構(gòu)型的產(chǎn)品，而不產(chǎn)生另一構(gòu)型的廢物。

配體是好拍檔，賦予催化劑手性識(shí)別功能

那么，這種定向反應(yīng)（只產(chǎn)生單一手性物質(zhì)）是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？周其林院士說，“就是讓手性催化劑識(shí)別分子構(gòu)型”。至于怎么識(shí)別，有很多分子間相互作用可以利用，“這是催化劑設(shè)計(jì)的依據(jù)”。

那研究中用到的手性配體，在中間起什么作用呢？周其林院士介紹到，手性催化劑有幾類，最多的一類是手性金屬催化劑，它是由手性配體和金屬形成的。比如這次獲獎(jiǎng)的他們?nèi)齻€(gè)人，用的催化劑都屬于手性金屬催化劑。“催化劑中金屬提供反應(yīng)位點(diǎn)，活性中心（讓反應(yīng)得以發(fā)生），配體給催化劑提供了識(shí)別功能（讓反應(yīng)有選擇性地進(jìn)行）”，周其林院士說。

對(duì)于他本人的獲獎(jiǎng)研究，手性螺環(huán)配體，周其林院士介紹說，“螺環(huán)”指的就是一類配體結(jié)構(gòu)。這種手性螺環(huán)配體，是他們首次提出和發(fā)現(xiàn)的，被稱為“周氏螺環(huán)配體”。

通過將螺環(huán)配體跟不同的金屬結(jié)合，就可以形成一系列的手性催化劑。與其他催化劑相比，這些催化劑有許多優(yōu)越性，比如，適用的反應(yīng)多，在反應(yīng)中的選擇性好，活性高（用的劑量少）。其中有一些已經(jīng)用在了手性藥物的生產(chǎn)上面，例如，心血管、降壓藥、心臟病、糖尿病、抗病毒等藥物。

但周其林院士也同時(shí)指出，他的大多數(shù)工作還是在基礎(chǔ)研究上。

失敗與成功沒有區(qū)別，失誤中也有意外之喜

說到基礎(chǔ)理論研究，周其林院士稱，“它和技術(shù)開發(fā)不太一樣?！币粋€(gè)典型的技術(shù)開發(fā)過程，會(huì)先有目標(biāo)，比如要解決某個(gè)藥物的合成反應(yīng)問題，就針對(duì)這個(gè)反應(yīng)去嘗試各種已有的催化劑，很少從頭做新催化劑。而做基礎(chǔ)研究，一開始沒有明確的應(yīng)用目標(biāo)，“就是要尋找高效的催化劑”，也不確定會(huì)用在哪個(gè)反應(yīng)，只是憑感覺把自己認(rèn)為最好的催化劑做出來，再找各種反應(yīng)去試。

結(jié)果如何呢？周其林院士說，“絕大多數(shù)情況下，都是失敗的，（做出來的催化劑）對(duì)這個(gè)反應(yīng)也沒效，那個(gè)反應(yīng)也沒效。但是，”周其林院士說到，“一旦（我們）做出來，就一定是原來沒有的”。

那么，如何應(yīng)對(duì)接二連三的失敗呢？周其林院士稱，對(duì)他來說，其實(shí)成功和失敗沒有太大區(qū)別，因?yàn)椤白龅牟怀晒Φ臅r(shí)候，也會(huì)有收獲”。比如，某次實(shí)驗(yàn)保護(hù)沒做好，水汽進(jìn)去了，想做的東西沒做出來，卻發(fā)現(xiàn)得到的副產(chǎn)物更有用。“用心分析每一次反應(yīng)，可能有意外之喜”，“這是研究的樂趣所在”。

被問到螺環(huán)配體在國際上的研究情況，以及中國在這方面的研究水平，周其林院士稱：“水平”這個(gè)東西很難講，要講水平、一般講整體水平，比如我們國家的有機(jī)化學(xué)水平。單就個(gè)人的研究來說，這不好講?！澳阕龀鲆粋€(gè)東西，不一定意味著水平比別人高?！敝芷淞衷菏空f，“只能說，螺環(huán)配體和催化劑目前已經(jīng)被廣泛使用，被用到了一百多種反應(yīng)里”。

（注：螺環(huán)配體是周其林院士的獨(dú)創(chuàng)性發(fā)明，而非一個(gè)研究領(lǐng)域，因記者誤解，導(dǎo)致該提問無解）

新時(shí)代有新要求，催化研究沒有止境

那么，目前在催化研究領(lǐng)域，還有哪些急需解決的問題呢？周其林院士說，非常多。整個(gè)催化研究領(lǐng)域都面臨一些共同問題。以他本人研究的螺環(huán)配體催化劑為例：

一方面，這些催化劑雖然能解決一些反應(yīng)，但是還有更多的反應(yīng)無法解決。而且社會(huì)發(fā)展需要的分子和材料非常多樣，所以還要發(fā)展新型催化劑來解決這些分子和材料的合成問題。

另一方面，新時(shí)代對(duì)化學(xué)又提出了新要求。過去的一些反應(yīng)，當(dāng)時(shí)可以說是很好，但是，如果用現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)，就不合格了。比如現(xiàn)在講的綠色化學(xué)，就要求我們做反應(yīng)，不要用有毒的原料，只得到需要的產(chǎn)品、不產(chǎn)生副產(chǎn)物，還要節(jié)約資源、節(jié)約能源、安全，所有的方面都要考慮。

“按照這樣高標(biāo)準(zhǔn)的綠色化學(xué)要求，過去很多的反應(yīng)，包括我們做的很多反應(yīng)都不達(dá)標(biāo)”，周其林院士說，“還有更高的高峰等我們?nèi)ヅ实?。?/p>

在綠色化學(xué)的12條原則里，有一條重要原則就是用催化劑解決這些問題。“所以，”周其林院士說，“我們對(duì)催化劑的研究前景還是很樂觀的，有很多問題需要用催化劑去解決?！?/p>

在采訪的最后，周其林院士說到，手性科學(xué)的科普是一件較困難的事，“因?yàn)樯婕暗绞中詥栴}，比較復(fù)雜”。在更早一次的接觸中，周院士也曾提到科普的重要性，并表示了對(duì)科普工作的理解和支持。作為采訪者，我們非常榮幸約到相對(duì)充裕的時(shí)間，專門聽周院士介紹該領(lǐng)域的工作。他溫和的談吐，富有耐心的講解，給現(xiàn)場眾人留下極深刻的印象。

我們恭喜周院士獲得此次大獎(jiǎng)，并期待他在該領(lǐng)域不斷取得新進(jìn)展，也期待催化研究給人類生活、生產(chǎn)帶來更多驚喜。

受訪人：周其林 南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授 中國科學(xué)院院士

采訪、撰稿人：高佩雯 凝聚態(tài)物理博士

文章由騰訊科學(xué)“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出

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