周其林：執(zhí)“手”開創(chuàng)催化夢

甘曉

“深受鼓舞。”不久前，得知2021年諾貝爾化學(xué)獎?lì)C發(fā)給從事不對稱催化工作的兩位學(xué)者時(shí)，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授、中國科學(xué)院院士周其林抬高了聲調(diào)，“希望有更多聰明的年輕人從事這個(gè)領(lǐng)域研究。”

作為今年諾獎得主的同行，周其林在不對稱催化領(lǐng)域深耕20年，發(fā)展出一類高效手性螺環(huán)催化劑，是迄今為止最高效的手性分子催化劑，被國內(nèi)外同行稱為“周氏催化劑”。

回顧科研生涯，周其林始終如一堅(jiān)持“做別人沒有做過的事情”。“做基礎(chǔ)研究，我們科學(xué)家要有前瞻性，做的是明天‘不被卡脖子’的工作。”接受采訪時(shí)，周其林說。

人的左右手相互為鏡像但又不能重疊的現(xiàn)象早就被人類發(fā)現(xiàn)，被稱為“手性”。在創(chuàng)造新物質(zhì)的化學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)往往會產(chǎn)生具有同樣分子式的手性化合物，但左旋和右旋的對映異構(gòu)體卻具有截然不同的性質(zhì)。不同手性的分子雖然差之毫厘，性質(zhì)卻謬以千里。

過去40年以來，手性催化劑由于缺少獨(dú)特結(jié)構(gòu)的“基本骨架”，真正高效并且獲得廣泛應(yīng)用的催化劑就更少了。于是，周其林瞄準(zhǔn)了這一重大、前沿的科學(xué)問題，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一類全新的“基本骨架”——手性螺環(huán)配體骨架，并以此發(fā)展理想的手性催化劑。

經(jīng)過多年潛心致研，他們終于實(shí)現(xiàn)從0到1的跨越，設(shè)計(jì)合成出一種新型手性螺環(huán)銥催化劑。其在酮的不對稱催化氫化反應(yīng)中表現(xiàn)出超高活性，催化劑的轉(zhuǎn)化數(shù)達(dá)到4550000。在此之前，文獻(xiàn)報(bào)道的最高活性手性催化劑的轉(zhuǎn)化數(shù)為2400000。

2011年7月12日，他們在國際化學(xué)權(quán)威期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》發(fā)表了這項(xiàng)研究成果，并把中國長城的照片作為當(dāng)期的封面。“中國人說不到長城非好漢，我們終于爬到了長城頂上。”周其林說。

此后，周其林課題組在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一系列選擇性好、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)的手性螺環(huán)催化劑，引領(lǐng)了全球手性催化研究，被國際同行譽(yù)為“周氏催化劑”。2020年初，周其林站上國家科學(xué)技術(shù)獎勵(lì)大會的領(lǐng)獎臺，獲得2019年度國家自然科學(xué)一等獎。

最高活性手性催化劑的成功合成是周其林科學(xué)人生的重要里程碑，實(shí)際上他為之付出了超過20年的努力。1987年，他在中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位后，先后在華東理工大學(xué)，德國、瑞士和美國從事博士后研究。

“在國外做博后時(shí)就已經(jīng)開始思考，好的催化劑都是外國人做的，我們中國人也要做出自己的催化劑。”周其林說。

看準(zhǔn)“螺環(huán)”結(jié)構(gòu)催化劑，則離不開周其林在學(xué)術(shù)上一以貫之的堅(jiān)持和積累。20世紀(jì)90年代初，他在上海福州路的外文書店偶然中買到一套打折處理的影印版《有機(jī)化合物字典》，書中收錄了成千上萬種化合物的結(jié)構(gòu)讓他如獲珍寶。“我一口氣把一套書幾十本都搬回了辦公室，一有時(shí)間就翻開看，一邊看一邊想什么樣的結(jié)構(gòu)適合做手性催化劑。”他說。

直到一種具有“C2對稱性”的分子引發(fā)了周其林的強(qiáng)烈興趣。于是，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)個(gè)方案，一個(gè)個(gè)去嘗試，一做就是20年。期間，失敗是常態(tài)，他們不斷面對一次次打擊，做出來的催化劑“對這個(gè)反應(yīng)無效，對那個(gè)反應(yīng)也無效”。

回首事業(yè)剛起步的時(shí)光，周其林表示：“自然科學(xué)基金對我的職業(yè)生涯幫助最大，1997年，我剛剛回國后拿到一個(gè)‘面上項(xiàng)目’，很快又獲得國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助。”隨后的20年中，他還多次獲得國家自然科學(xué)基金的支持，拿到過幾乎涵蓋所有資助類型的項(xiàng)目。

20年如一日，周其林堅(jiān)持下來了。他每天早晨8點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)到實(shí)驗(yàn)室，晚上8、9點(diǎn)鐘才離開，一周6個(gè)工作日。與實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生逐一交流，20年來基本不缺席課題組的“組會”，有時(shí)候剛下飛機(jī)，拎著行李箱就直奔實(shí)驗(yàn)室。

周其林認(rèn)為：“做自己喜歡的事情不覺得辛苦，其實(shí)好奇心驅(qū)使的探索未知的過程其樂無窮，所以要學(xué)會享受它，這是我這么多年來最大的感受。”

回望初心，周其林之所以關(guān)注手性催化劑，源自人類付出慘痛教訓(xùn)的“反應(yīng)停”事件。1953年，瑞士一家藥廠首先合成了沙利度胺。此后，另外一家德國藥廠發(fā)現(xiàn)這種藥物具有抑制孕婦晨吐、惡心的妊娠反應(yīng)，將其命名為“反應(yīng)停”。幾年后，醫(yī)學(xué)界發(fā)現(xiàn)，母親懷孕期間服用反應(yīng)停和產(chǎn)下海豹肢畸形患兒直接相關(guān)，全球?qū)⒔?萬名患兒深受其害。

周其林表示：“這是我們第一次認(rèn)識到手性分子在藥物領(lǐng)域的重要性，我在做學(xué)生的時(shí)候就關(guān)注到這個(gè)問題，就開始思考作為化學(xué)研究者如何用專業(yè)知識為人類健康作出貢獻(xiàn)。”

當(dāng)年入行手性催化劑的初心源自藥物，今天“周氏催化劑”最重要的應(yīng)用也回到了“初心”——系列手性螺環(huán)催化劑已被用于200多種不對稱合成反應(yīng)，還被用于多種手性藥物的生產(chǎn)。對此，周其林感到十分欣慰。

面向未來，周其林的目光仍然在有機(jī)合成前沿。近期，他與中國科學(xué)院院士、四川大學(xué)教授馮小明聯(lián)合申請自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目。

據(jù)了解，項(xiàng)目計(jì)劃攻克一個(gè)新的難題：從具有惰性碳?xì)滏I的烴類化合物出發(fā)，經(jīng)過“一步反應(yīng)”合成出手性化合物。“首先在烴類化合物中引入一個(gè)活性官能團(tuán)，這就很難，同時(shí)還要控制手性，這就難上加難。”周其林表示，這將是有機(jī)合成化學(xué)的未來發(fā)展趨勢。

周其林期待，更多年輕人走進(jìn)不對稱催化領(lǐng)域，共同努力，“催化”出更多面向未來的原創(chuàng)性成果。