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光明日报:享受创造带来的满足与快乐
来源: 《光明日报》2020年1月11日第5版发稿时间:2020-01-13 17:07

——访二〇一九年度国家自然科学奖一等奖获得者周其林

  国家自然科学奖是奖励在基础研究领域作出重大贡献的项目奖项。在历年的国家科技奖中,该奖项一等奖曾数次空缺,而“高效手性螺环催化剂的发现”,是今年唯一获得该奖项一等奖的项目。

  周其林感到庆幸。这位热爱基础研究、喜欢发现和创造的科学家,认为自己选对了路——化学。“化学能创造出这个世界原本没有的东西。”他说,自己享受这种创造带来的好奇心满足,以及无以言表的快乐。

  周其林是南开大学化学学院教授、中国科学院院士。记者初见他,是在南开大学元素有机化学国家重点实验室。针对有人对实验室名称中“元素”二字的不解,周其林解释:研究所最开始的研究是按化学元素来划分,比如有机磷、有机硅等。“但现在不再按元素来分了,因为许多元素我们的研究都有涉及。”轻描淡写中透出一种自信。

  徜徉于化学元素和分子世界,周其林要做一个发现者与创造者。此次我们要采访的内容,正是他的一项创造——高效手性螺环催化剂,刚刚获得2019年度国家自然科学奖一等奖的项目。

  一个催化剂转化450万个化合物

  化学家的一个重要目标是创造新的分子(也叫化合物),这个创造过程就是化学反应。物质经过化学反应,生成新的物质,很多时候需要催化剂帮忙。“化学家创造化合物时,需要催化剂,好的催化剂能解决很多反应问题。”周其林创造的手性催化剂,能合成各种手性化合物。

  要理解周其林的这项创造,首先要明白:何为手性?

  周其林举起自己的双手,解释道:“手性是指物体与其镜像不能重叠的现象,如同人的左右手,互为镜像,但相互不能重叠。”

  不仅仅是我们的双手,在分子、原子等微观世界,手性现象也普遍存在。构成生命体的基本物质如蛋白质、DNA等,也是手性的。就像左右手,手性物质可以是左手的,也可以是右手的。

  作为化学家,周其林关注的是分子中的手性现象——手性分子。手性分子里,左手分子和右手分子有时性质截然不同。比如“香芹酮”分子,左手分子和右手分子看起来差不多,但闻起来一个是薄荷味、一个是臭蒿味。再比如,速溶咖啡里的“健康糖”,其成分是由两个手性氨基酸组成的肽,味道是甜的。如果其中一个氨基酸的手性改变了,它就变成苦的了。

  在过去很长一段时间里,人类对左手分子和右手分子的性质差异认识不够,造成灾难性后果。20世纪50年代末,有一种名为沙利度胺的镇静药物,用的是右手分子和左手分子的混合物,很多孕妇用药后导致胎儿畸形。后来研究发现,该药物右手分子具有镇静功效,而左手分子不仅没有此药效,反而会导致胎儿畸形。

  手性分子应用广泛,在市场销售的药物中,有一半是手性分子。在研发的新药中,一大半是手性分子。不仅是药物,在农药、精细化学品,甚至液晶显示等领域,手性分子都发挥了重要作用。但要让手性分子为我所用,必须能区分和合成左手分子和右手分子,并有针对性地择其一而用之。

  合成创造新的手性分子,就是要做到“要左手性就是左手性的,要右手性就是右手性的”。如何能做到这一点呢?依靠手性催化剂。手性催化剂可以识别手性,让反应沿着一个路径发生,只生成特定手性的产物,而不是像普通催化剂那样,生成两种手性产物的混合物。

  过去几十年里,虽然发展了很多手性催化剂,但是真正高效、获得广泛应用的手性催化剂极少。周其林的愿望是,发展更高效的手性催化剂,“一个催化剂可以将成千上万,甚至百万个原料分子转化成我们所要的手性分子”。

  周其林研究发现,以前的手性催化剂之所以效率高的不多,主要原因是缺少具有广谱性的手性配体基本骨架。他经过20年的探索,提出了“刚性骨架提高催化剂手性诱导能力和稳定性”的设计思想,发现了一类全新结构的刚性手性螺环骨架,基于这一刚性骨架结构设计合成了一系列手性螺环催化剂。

  这种手性螺环催化剂被国内外同行称为“周氏催化剂”,它在许多反应中都表现出很高的催化效率。特别是在酮化合物的氢化反应中,更是将手性分子的合成效率提高到了一个新的高度——一个手性催化剂催化合成450万个手性产物分子,成为迄今为止最高效的手性分子催化剂。

  做基础研究不要只盯着结果

  手性螺环催化剂的相关成果在国际学术期刊发表后,很快便吸引了国际药企的注意。他们给周其林来信,希望他寄去样品——他们很好奇这个催化剂是否真的如此高效。不久,他们即被折服。

  如今,手性螺环催化剂已成为合成手性分子的重要工具。广泛用于手性药物的合成和生产,如心血管、降血压、心脏病、糖尿病、抗病毒等药物。“很多过去不能够合成的手性分子,现在都能够合成了。”周其林自豪地告诉记者。

  不追求发论文、把基础研究做深做透、追求原创性成果,这是很多人对周其林的评价。创造出高效的手性螺环催化剂,周其林花了20年。“很多人觉得做基础研究很苦,天天待在实验室。但对我们来说,天天能看到未知的东西,创造新物质,是对好奇心的满足,很快乐。”他说,即使实验失败,也会有收获,“用心分析每一次反应,都可能有意外之喜”,“这是研究的乐趣所在”。

  今天,我们经常被“卡脖子”这个问题所困扰。周其林认为,“卡脖子”表象的背后,实质是基础研究做得不透不深。“我们敢讲,国外想在手性催化剂上卡我们脖子,那不太容易。国内有这么多的课题组,研究出了各种高效的、具有自主知识产权的手性催化剂。”周其林很笃定。

  当然,周其林的研究步伐不会停止。在解决手性催化剂问题后,他正在转向另一个新的研究方向——用二氧化碳和生物质代替石油、煤、天然气等石化原料,进行新物质的合成。“石化资源总会有枯竭的一天,科学家要想着几十年甚至一百年以后的事,做基础研究要有前瞻性。”他说。

  做基础研究是一条漫长的道路,周其林希望以自己的经历告诉年轻人:“享受这样一个创造的过程,而不是仅仅盯着结果。”

   (本报记者 陈海波 陈建强)

      http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2020-01/11/nw.D110000gmrb_20200111_2-05.htm

编辑:郝静秋

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南开大学电视新闻2020年6月2日
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