來源：經濟日報
剛剛落幕的國家科學技術獎勵大會上，「高效手性螺環催化劑的發現」項目獲得2019年度國家自然科學獎一等獎，該項目是由中國科學院院士、南開大學教授周其林領銜的研究團隊完成的。
這種催化劑有何神奇之處？為何能獲得我國基礎科學領域的高等級獎項？請看經濟日報記者採寫回來的報導。
周其林院士在實驗室接受記者採訪。佘惠敏攝
神奇的手性分子
「高效手性螺環催化劑」這9個字裡，最讓普羅大眾迷惑的是「手性」這個詞。
「手性是一種比喻。就像我們的左手和右手，看起來一樣，實際上不一樣，它們互成鏡像，但相互不能重疊。不管微觀還是宏觀，如果一個物體與其鏡像不能重疊，我們就說它是『手性的』。」
周其林院士告訴記者，「手性」這個詞聽起來陌生，卻是自然界的常見現象。大到宇宙星雲，小到蝸牛、牽牛花，甚至分子、原子等微觀粒子，自然界的很多物質都是單一手性的，即要麼都「向左」，要麼都「向右」。比如，蝸牛的殼、牽牛花的藤，都是右手螺旋；天然胺基酸分子都是左手性的，糖分子都是右手性的。
對於周其林這樣的化學家來說，最感興趣的是「手性分子」。
為什麼要研究「手性分子」？
手性分子是有機分子中的一大類，尤其在藥物中佔比更高。目前市售藥物中超過一半都是手性分子，包括中國人合成的胰島素和發現的青蒿素；在新藥研究領域，在研的1200種新藥中有820種是手性藥，佔比近7成。
而對手性的認識不足，則有可能造成災難性的後果。「左手天才，右手瘋子」，在手性分子研究領域並不是誇張的詩句，而是現實的警示。
對手性分子來說，左右手的區別看似微小，卻常常會帶來香與臭、甜與苦、藥與毒的截然相反特性。
「香芹酮」分子的左手和右手，一個是薄荷味、一個是臭蒿味。
咖啡和冷飲裡用到的「健康糖」是由兩個胺基酸組成的二肽分子，比糖甜200倍，如果將其中的一個胺基酸換成相反手性，就會變成苦的。
上世紀50年代末，用於治療妊娠噁心、嘔吐的藥物「反應停」被廣泛使用。但在短短幾年裡，全球發生了以往極其罕見的過萬例海豹肢畸形兒。科學家們後來研究發現，原來「反應停」的右手分子具有鎮靜效果，左手分子卻有致畸作用，而當時市售的「反應停」是兩種手性分子的混合物。
那麼，我們可以只要有用的左手分子或右手分子，不要其無效甚至有害的異構體嗎？
用傳統方法來合成手性化合物，總是得到兩種手性分子的混合物，需要再通過複雜的手性拆分（把左右手分子分開）辦法，得到單一手性分子。這樣做的缺點顯而易見：成本高，浪費巨大。
農藥中有很多也是手性農藥，這些農藥只有一半有效，另一半無效甚至對環境有害。
如何才能合成單一手性的化合物？科學家們將目光瞄向了催化劑。
「不對稱催化是目前合成手性化合物最有效的方法。」周其林介紹，在化學反應中，催化劑就像分子機器，用原料（反應物）造出產品（生成物）。普通催化劑沒有手性識別功能，會生成兩種手性的混合物。而手性催化劑能識別手性，讓反應只向一個路徑發生，只生成特定手性的分子。
南開大學元素有機化學研究所的實驗室，學生們正在工作。周其林團隊也經常在這些平臺上分析產物結構。佘惠敏 攝
高效的周氏催化劑
讓周其林團隊獲得國家自然科學獎一等獎的工作，就是發現了一類全新的手性螺環催化劑。
「螺環」指的是一種配體結構。這種手性螺環配體，是周其林團隊首次提出和發現的，被稱為「周氏螺環配體」。
將「周氏螺環配體」跟不同的金屬原子結合，可形成一系列的手性催化劑。催化劑分子中，金屬原子提供反應位點、活性中心，讓反應得以發生；配體給催化劑提供了識別功能，讓反應有選擇性地進行。
這項工作開始於20年前。
出生於1957年的周其林，1982年從蘭州大學化學系獲得學士學位，1987年從中科院上海有機化學研究所獲得博士學位，此後曾在德國、瑞士、美國從事博士後研究，又於1996年回國，到華東理工大學任教。
1999年，周其林轉任南開大學教授，並被教育部聘為第一批「長江學者」。也正是在這一年，他選定了一類螺環結構，來做「周氏配體」。
「我們做催化劑的，都想發現一個適用於很多反應的全新骨架結構，而不是簡單的只用於一個反應的單個催化劑。」回憶起20年前的選擇，周其林笑稱，之所以從成千上萬的化學結構中，選定這種螺環結構，原因就在於「看它好看，看它順眼」。
周其林給「周氏配體」定下了遠大目標：
一是選擇性要好，讓它合成右手分子，它就合成右手分子；
二是效率要高，要用最少的催化劑分子合成出最多的生成物分子；
三是適用範圍要廣，對多種合成反應都有效；
四是讓「周氏配體」成為平臺分子，與不同金屬結合，就能發展出種類繁多的手性催化劑。
目標遠大，探索之路卻崎嶇難行。
在長江學者聘期中期考核時，周其林團隊還沒有發過一篇關於手性螺環催化劑的論文。
「國際上研發出的手性催化劑很多，但真正有效並且被廣泛採用的不多。在科學領域，絕大部分研究是失敗的，成功的總是少數。做科研的人都會遇到各種困難，我認為克服這些困難，主要靠堅持。」談及最初幾年的實驗失利，周其林很淡然，「有些人沒能堅持，中途放棄或者換了研究方向，但我們堅持了下來。」
2000年，朱守非成為周其林的研究生。現在已成為南開大學教授的他，回憶起當年的導師，非常感慨：「他讓我們放鬆地憑興趣探索，從來沒批評我們。其實他當時壓力很大，來了幾年，沒發什麼文章，卻從未將壓力轉移到學生身上。」
一直到2002年，周其林團隊終於做出了初步成果，發出了第一篇關於手性螺環催化劑的論文。
多年堅持不懈的努力中，最初的目標一點點變成現實：
在手性螺環配體骨架上，已經設計合成了100餘種手性螺環催化劑；
手性螺環催化劑已經被國際上40多個小組跟進研究，目前已被應用於200餘種不對稱合成反應，並被用於多種手性藥物的生產。
周其林團隊在2011年合成了一種新型的手性螺環銥催化劑，一個催化劑分子可以將455萬個原料分子轉化成目標分子，這一催化效率的世界記錄保持至今。在那之前，文獻報導的最高活性手性催化劑的轉化數為240萬。
手性螺環銥催化劑的成果被《德國應用化學》選為封面論文。周其林說：「當時雜誌讓我做個封面，我選了長城的照片。不到長城非好漢，我們終於爬到了長城頂上。」
周其林院士在工作中。佘惠敏 攝
快樂的科研工作
周其林團隊在手性螺環催化劑研究中遇到的困難，很大程度來源於其原創性。沒人走過的路，總是要更難走一些。
南開大學教授謝建華也是團隊成員之一，曾經是周其林指導的博士研究生，回憶起當初導師的教誨，他印象最深的是：「他總是告訴我，要原創，還要超越。」
這份成果的原創性和超越性，是國際同行公認的。手性螺環配體和催化劑在許多反應中都表現優異，成為「優勢手性催化劑」。在此基礎上，周其林還系統地發展了相關手性配體和催化劑的設計方法。這些成果極大地拓展了人們設計手性配體的想像空間，顯著推動了不對稱合成學科的發展。
上海交通大學常務副校長丁奎嶺院士是此次提名該項目參與評獎的三位專家之一。
他告訴記者，有三大提名理由：「這項成果在科學上有突破，帶來了對螺環結構的新認知；在原創方面是引領性的，帶來了全世界在手性催化劑領域的跟進研究；在應用方面，帶來了催化劑的卓越性能，對藥物的生產帶來變革性影響，使其更加綠色、環保。」
目前，手性螺環催化劑已經成為合成化學中一個不可或缺的工具，讓很多手性化合物的合成更加便利，並且也用於降壓藥、心臟病、糖尿病、抗病毒等多種藥物的生產。
周其林院士在實驗室指導學生。佘惠敏 攝
催化劑這麼好用，可以發財了嗎？
「想發財可不能做這麼高效的催化劑。」周其林笑著調侃，「生產1噸藥品，買我們1克催化劑就夠了，這賺不來大錢。」
對潛心於基礎研究的周其林來說，「有什麼用」固然重要，「能解決什麼科學問題」更重要；「好發論文」不是目標，「發好論文」才是方向。
他選擇研究手性是出於好奇。「手性有很多神奇的地方，它是合成化學選擇性裡最難的一種，因為看上去左手分子和右手分子一模一樣，怎麼就能區別出來呢？」
在探索未知的過程中，他滿足了好奇心，也收穫了大快樂。「天天探討未知，這樣的研究工作是一種享受，二十年下來，我覺得非常愉快。」周其林最想對科技工作者說的話就是：「找到你真正喜歡的方向，然後堅持下去。」
在獲得國家自然科學獎一等獎後，他接下來還會選擇什麼研究方向？
「手性螺環肯定還有發展，但已經不是我目前最主要的方向了。我的重心轉移到更基礎、更難的方向。」周其林把目光轉向了新的「周氏催化劑」，希望能用二氧化碳和生物質替代現有化石原料來做有機合成。
「支撐我們現代生活的很多產品，都是從化石資源生產的。化石資源終將耗竭，這在能源上還不是大問題，畢竟有各種清潔能源，配合新型的儲能技術，可以替代汽油、天然氣等產品；但從石油等化石資源生產的塑料、合成纖維、化肥、化學建材等，等石油用完了，拿什麼來生產它們？能不能用二氧化碳和生物質原料做替代原料？」周其林說，這個研究才剛剛開始，是為幾十年甚至一百年以後做準備。