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周其林:坚持原创的“催化”大师
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2020-01-12 21:58

  南开新闻网记者 马超

  一身深灰色西装,一条以化学元素装饰的领带,中国科学院院士、南开大学化学学院教授周其林以这样的装束出席了在北京人民大会堂隆重举行的2019年度国家科学技术奖励大会。凭借“高效手性螺环催化剂的发现”项目,周其林院士带领团队一举获得2019年国家自然科学奖一等奖——这一中国自然科学领域的最高奖项。由于该奖项的评选严格性,在历史上曾多次空缺。

  螺环:优势手性催化剂骨架

  “这项工作的意义,在于发现了一类非常高效的催化剂,用来合成手性分子,制造手性药物。对于学术界的影响在于,很多过去不能够合成的分子,现在能够合成了;对产业界的影响就是,过去很多的药物合成起来非常困难,现在合成这些药物非常方便。”周其林院士这样描述团队此次的获奖项目。

  周其林院士带领团队20年潜心攻关,发展出一类全新的手性螺环催化剂骨架,从这类骨架结构出发,合成了系列手性螺环催化剂——国内外同行称之为“周氏催化剂”。这不仅是南开化学的标志性成果,更成为合成化学中一个不可或缺的工具,被全球40多个研究组借鉴,被用于200多种不对称合成反应,还被用于多种手性药物的生产。

  “手性螺环催化剂带动了手性催化剂的发展,在科学上是有引领性的。”作为该项目参评国家自然科学奖一等奖的推荐人,中国科学院院士、上海交通大学常务副校长丁奎岭不吝于对这一科研成果的赞赏,他在谈及推荐原因时说,手性螺环催化剂的发现和创造,不仅在科学上带来突破,同时带来了催化剂的卓越性能,继而产生了推动药物生产等一系列价值,具有“变革性”。

  在过去的研究中,虽然已出现许多手性催化剂,但真正对多种反应都有效的所谓“优势手性催化剂”很少。由于药物中许多是手性药物,它们的两种对映异构体,在生理过程中会显示出截然不同的药效;而在通常的化学合成中,这两种对映异构体出现的比例是相等的,所以对于制药公司来说,他们每生产一公斤药物,还要费尽周折,把其中一半分离出来。因而,“想要右手分子就产生右手分子,想要左手分子就产生左手分子”,就成为科学家追求的目标。

  周其林院士带领团队发展的手性螺环催化剂,在多种不对称反应中表现出极高的催化活性和优异的对映选择性——甚至超越了大多数酶的水平,从而将手性分子的合成效率提高到了一个新的高度,也改变了人们对人工催化剂极限的认知。

  同时,由于手性螺环催化剂的发展,多个不对称催化反应由“不可能”变成为可能,拓展了不对称催化领域。在催化效率方面,手性螺环催化剂在多个不对称催化反应中都保持了最高的催化活性和对映选择性记录,特别是2011年合成的一种高活性手性催化剂凭借455万的转化数,至今保持着分子手性催化剂的世界记录。刊登论文的那期《德国应用化学》的封面图片为长城——寓意着周其林团队“不到长城非好汉”的决心和登顶长城的喜悦。

  背后:板凳甘坐二十年

  1999年,周其林被教育部聘为第一批“长江学者”特聘教授,并转入南开大学工作。南开大学的有机化学科研实力强,学生素质高,加之学风严谨,为他安心做学问提供了良好的环境。从此,手性螺环催化剂也成为了他20年来的工作的核心。

  “每天早晨8点前准时到实验室,晚上八九点钟才离开,离开前和实验室的同学一一交流,一周6个工作日……”说起周其林院士的作息和工作安排,课题组成员王立新高级工程师觉得“如同化学反应一样严谨”,特别是课题组每个周六下午的“组会”,20年来更是“雷打不动”,很少会因为其他事情而将其取消,有时候周其林院士一下飞机,就拎着行李箱赶回实验室参加组会。

  在外人看来,在“冷板凳”上单调枯燥的生活对于周其林院士来说却充满魅力,不断改进合成新的配体和催化剂,螺环结构在周其林院士的手中宛如一只奇妙变幻的万花筒。

  然而,整个研究过程并不是一帆风顺的,甚至在大多数情况下,都是失败的:课题组做出来的催化剂,“对这个反应也没效,对那个反应也没效”是常有的事。但周其林院士始终坚持:“只要我们做出来,就一定是原来没有的”。

  面对失败,周其林院士经常会说:“做得不成功的时候,有时也会有收获”。比如,某次实验保护没做好,水汽进去了,想做的东西没做出来,却发现得到的副产物更有用。用心分析每一次反应,可能有意外之喜,这是研究的乐趣所在。正如他所说:“化学是一个最富创造性的学科。我们每天都在创造新物质,好奇心得到极大满足,我很享受这个过程。”

  “坚持原创”和“追求严谨”是丁奎岭院士眼中的周其林院士对于学术的态度,“2001年已经有科学家在不对称催化领域获得了诺贝尔奖,要在这样的高度上,形成原始创新性突破,是很有难度的;国际上有那么多科学家进行相关的研究,如果不够严谨的话,就可能会受到同行的质疑。”丁奎岭院士说。

  20年来,周其林院士获得过很多有分量的大奖:首届中国化学会手性化学奖、全国教书育人楷模、被誉为“中国诺奖”的未来科学大奖……然而走进他的办公室却发现,在最显著的位置摆放的是历年学生的实验记录。这从侧面反映了科学研究在他心目中的地位。

  在周其林院士看来,作为一名教师,“培养人才”是第一重要的事情,做科研在某种意义上讲也是教育,是培养创新型人才。如今,周其林院士已为国家培养了70余名优秀博士和硕士,他们大多在国内外知名大学、研究机构、制药公司任职,成为科学研究和技术开发的骨干。

  “我最好的科研成果,实际上是我培养的学生。”在课题组成立20周年之际,学生们纷纷归来参加这次特殊的“组会”,望着济济一堂的爱徒们,周其林院士不由地道出心声。

  转型:挑战其他新领域

  对周其林院士来说,力争在基础研究领域创新突破,是他始终不变的追求。在谈及今后的科研方向时,周其林院士表示,手性螺环催化剂还会发展,但不再是课题组今后的主要科研攻关方向。

  很多人惊讶于周其林院士的这一决定,毕竟“周氏催化剂”从研发到广获赞誉,凝聚着课题组20年的心血,且如今依然有空间将其发展得更为完美,就这样“转战”其他领域,实在是可惜。

  “作为基础研究,原创性的工作已经完成;接下来,周老师会继续带领我们瞄准其它更加基础的领域去研究。”对于周其林院士的决定,课题组成员、化学学院院长朱守非教授是这样认识的:周老师的手性螺环催化剂是“从0到1”的工作,他开拓了不对称催化新领域,其原始创新的工作已经基本结束。至于将手性螺环催化剂应用到更多药物、农药、香精香料等的合成和生产这样的研究工作会有应用型科学家跟进。

  “直到我也成为一名教师,我才能够理解周老师的良苦用心”。朱守非教授这样说到。从2000年读研开始,朱守非教授进入了周其林院士的课题组,博士毕业后留校任教。他告诉记者,刚进课题组时,他发现导师周其林院士的文章数量并不是很多。在同行们文章不断的情况下,周老师的压力应是挺大的,但他从不把压力传导给学生,他甚至给学生们开出更高的“科研津贴”,以便让大家更从容地做自己喜欢的研究,感受创造带来的乐趣。

  “能够守住原则、把握节奏,为我们后学之人树立了榜样。”朱守非教授说。

  实际上,面对周其林院士提出的“转型”,课题组的成员已经有了很好的研究方向:谢建华教授致力于发展复杂天然产物不对称全合成的方法,朱守非教授致力于丰产金属催化剂的研究,而周其林本人则着眼于二氧化碳和生物质的转化,他经常想,几十年,或者一百年以后,石油、天然气等化石资源枯竭后将用什么原料来合成人类文明所依赖的材料?作为肩负“创造新物质”责任的化学家,必须要着眼于未来。

编辑:张丽

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