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周其林院士:执“手”开创催化梦
2021-11-24

来源:中国科学报  

导读:“深受鼓舞。”不久前,得知2021年诺贝尔化学奖颁发给从事不对称催化工作的两位学者时,南开大学化学学院教授、中国科学院院士周其林抬高了声调,“希望有更多聪明的年轻人从事这个领域研究。”

“深受鼓舞。”不久前,得知2021年诺贝尔化学奖颁发给从事不对称催化工作的两位学者时,南开大学化学学院教授、中国科学院院士周其林抬高了声调,“希望有更多聪明的年轻人从事这个领域研究。”


作为今年诺奖得主的同行,周其林在不对称催化领域深耕20年,发展出一类高效手性螺环催化剂,是迄今为止最高效的手性分子催化剂,被国内外同行称为“周氏催化剂”。


回顾科研生涯,周其林始终如一坚持“做别人没有做过的事情”。“做基础研究,我们科学家要有前瞻性,做的是明天‘不被卡脖子’的工作。”接受《中国科学报》采访时,周其林说。


从0到1 创“周氏催化剂”


人的左右手相互为镜像但又不能重叠的现象早就被人类发现,被称为“手性”。在创造新物质的化学领域,一个化学反应往往会产生具有同样分子式的手性化合物,但左旋和右旋的对映异构体却具有截然不同的性质。不同手性的分子虽然差之毫厘,性质却谬以千里。


“例如,天然产物很多是手性分子,其生物活性依赖于正确的手性。”周其林向《中国科学报》介绍。为了得到正确手性的新物质,化学家想出了“不对称合成”的策略,其中,发现选择性好、效率高的手性催化剂是关键。


过去40年以来,手性催化剂由于缺少独特结构的“基本骨架”,真正高效并且获得广泛应用的催化剂就更少了。于是,周其林瞄准了这一重大、前沿的科学问题,带领团队发展了一类全新的“基本骨架”——手性螺环配体骨架,并以此发展理想的手性催化剂。


经过多年潜心致研,他们终于实现从0到1的跨越,设计合成出一种新型手性螺环铱催化剂。其在酮的不对称催化氢化反应中表现出超高活性,催化剂的转化数达到4550000。在此之前,文献报道的最高活性手性催化剂的转化数为2400000。


2011年7月12日,他们在国际化学权威期刊《德国应用化学》发表了这项研究成果,并把中国长城的照片作为当期的封面。“中国人说不到长城非好汉,我们终于爬到了长城顶上。”周其林说。


此后,周其林课题组在此基础上发展了一系列选择性好、效率高、适应性强的手性螺环催化剂,引领了全球手性催化研究,被国际同行誉为“周氏催化剂”。2020年初,周其林站上国家科学技术奖励大会的领奖台,获得2019年度国家自然科学一等奖。


多年来,周其林始终坚持原始创新。他做研究的原则是:“做别人没有做过的研究,做理论上或者应用上有意义的研究。”


20年一剑 攀登科学高峰


最高活性手性催化剂的成功合成是周其林科学人生的重要里程碑,实际上他为之付出了超过20年的努力。1987年,他在中科院上海有机化学研究所获得博士学位后,先后在华东理工大学,德国、瑞士和美国从事博士后研究。


“在国外做博后时就已经开始思考,好的催化剂都是外国人做的,我们中国人也要做出自己的催化剂。”周其林说。


1996年,他回到华东理工大学任教,1999年被教育部聘为第一批“长江学者”特聘教授,并转入南开大学化学院工作,决定将“做中国人的催化剂”的梦想付诸实践,从此开启攀登手性螺环催化剂的科学高峰。


看准“螺环”结构催化剂,则离不开周其林在学术上一以贯之的坚持和积累。20世纪90年代初,他在上海福州路的外文书店偶然中买到一套打折处理的影印版《有机化合物字典》,书中收录了成千上万种化合物的结构让他如获珍宝。“我一口气把一套书几十本都搬回了办公室,一有时间就翻开看,一边看一边想什么样的结构适合做手性催化剂。”他说。


直到一种具有“C2对称性”的分子引发了周其林的强烈兴趣。于是,他带领团队提出一个个方案,一个个去尝试,一做就是20年。期间,失败是常态,他们不断面对一次次打击,做出来的催化剂“对这个反应无效,对那个反应也无效”。


回首事业刚起步的时光,周其林表示:“自然科学基金对我的职业生涯帮助最大,1997年,我刚刚回国后拿到一个‘面上项目’,很快又获得国家杰出青年科学基金项目资助。”随后的20年中,他还多次获得国家自然科学基金的支持,拿到过几乎涵盖所有资助类型的项目。


20年如一日,周其林坚持下来了。他每天早晨8点准时到实验室,晚上8、9点钟才离开,一周6个工作日。与实验室的学生逐一交流,20年来基本不缺席课题组的“组会”,有时候刚下飞机,拎着行李箱就直奔实验室。


周其林认为:“做自己喜欢的事情不觉得辛苦,其实好奇心驱使的探索未知的过程其乐无穷,所以要学会享受它,这是我这么多年来最大的感受。”


不忘初心 胸怀人民需求


回望初心,周其林之所以关注手性催化剂,源自人类付出惨痛教训的“反应停”事件。1953年,瑞士一家药厂首先合成了沙利度胺。此后,另外一家德国药厂发现这种药物具有抑制孕妇晨吐、恶心的妊娠反应,将其命名为“反应停”。几年后,医学界发现,母亲怀孕期间服用反应停和产下海豹肢畸形患儿直接相关,全球将近2万名患儿深受其害。


周其林表示:“这是我们第一次认识到手性分子在药物领域的重要性,我在做学生的时候就关注到这个问题,就开始思考作为化学研究者如何用专业知识为人类健康做出贡献。”


当年入行手性催化剂的初心源自药物,今天“周氏催化剂”最重要的应用也回到了“初心”——系列手性螺环催化剂已被用于200多种不对称合成反应,还被用于多种手性药物的生产。对此,周其林感到十分欣慰。


面向未来,周其林的目光仍然在有机合成前沿。近期,他与中国科学院院士、四川大学教授冯小明联合申请自然科学基金基础科学中心项目。


据了解,项目计划攻克一个新的难题:从具有惰性碳氢键的烃类化合物出发,经过“一步反应”合成出手性化合物。“首先在烃类化合物中引入一个活性官能团,这就很难,同时还要控制手性,这就难上加难。”周其林表示,这将是有机合成化学的未来发展趋势。


周其林期待,更多年轻人走进不对称催化领域,共同努力,“催化”出更多面向未来的原创性成果。


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