手性催化技术(历时20年，发现手性螺环催化剂，将手性分子的合成效率提至新高度)

Posted 2023-05-26

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手性催化技术(历时20年，发现手性螺环催化剂，将手性分子的合成效率提至新高度)

新华网北京1月10日电 题:历时20年，发现手性螺环催化剂，将手性分子的合成效率提至新高度——访2019年度国家自然科学奖一等奖获得者周其林

新华网赵秋玥

手性螺环催化剂是新世纪不对称催化领域最重要的发现，已被广泛应用于不对称合成反应，成为合成手性分子的重要工具。

2020年1月10日，中国科学院院士、南开大学教授周其林因为《高效手性螺环催化剂的发现》荣获2019年度国家自然科学奖一等奖。该项研究提出的增加配体骨架刚性提高手性催化剂效率的设计思想，对于发展新型手性催化剂具有指导意义。

鲜有人知的是，这项研究，周其林带领他的团队，整整攻克了20年。

究竟是怎样一种热爱，能够潜心20年，专攻一件事？

近期，新华网走进南开校园，近距离感受周其林研究团队，如何用严谨、勤奋催化出化学之美。

高效且应用广泛的“周氏催化剂”

手性是指物体与其镜像不能重叠的现象，如同人的左右手。从分子、原子等微观粒子到宏观物质世界，手性现象普遍存在。

据介绍，构成生命体的基本物质如蛋白石、DNA、糖等都具有手性，所以能够识别客体手性分子的对映异构体，这是手性化合物对映异构体具有不同生理活性的根本原因。

市售药物中，50%是手性药，在研的1200种新药中有820种是手性药，约占研发药物总数的70%。除了手性医药、农药外，手性已涉及香精香料、精细化学品和液晶材料等诸多领域。

据了解，不对称催化是合成手性分子的主要方法，是合成化学的前沿研究领域，其核心是手性催化剂。但是过去40年，由于缺少广谱性的手性配体基本骨架，真正高效、获得广泛应用的手性催化剂很少。

在周其林院士带领下，该团队经过20年探索，发现了一类全新的手性螺环配体骨架结构，在此基础上，发展了一系列手性螺环催化剂，这些手性螺环催化剂具有广谱性，在许多不对称催化反应中都表现出优于其他手性催化剂的催化活性和对映选择性。例如，手性螺环铱催化剂在多种不饱和羧酸的不对称催化氢化反应中，都保持了目前最高的催化活性和对映选择性记录，在酮的不对称氢化反应中，更是取得了450万的催化转化数，成为迄今为止最高效的手性催化剂；手性螺环铜和铁催化剂解决了金属卡宾对杂原子-氢键不对称插入反应的对映选择性低下的难题，将其发展成为具有很高选择性的反应。手性螺环催化剂的发现和应用，将手性分子的合成效率提高到一个新高度。

这些催化剂被国内外同行称为“周氏催化剂”，如今已成为合成化学中一个不可或缺的工具，不仅被用于200多种不对称合成反应，还被制药公司用于多种手性药物的生产。

对于周其林及其团队所取得的突破，提名人中国科学院院士丁奎岭在接受新华网采访中表示，周院士学术上最大的特点一是追求原创，二是严谨。“螺环骨架催化剂的发现突破了过去大家对螺环结构的认知，又带来了催化剂卓越的性能和对药物的生产所产生的价值，解决了原来的催化剂所不能解决的问题。无论从科学突破还是在科学界、产业界带来的影响，周院士获得国家自然科学奖一等奖实至名归。”

另一名提名人，中国科学院院士、南开大学副校长陈军评价道，手性螺环虽然是学术概念，但跟大众生活息息相关。首先，手性的领域很大，但在手性催化剂领域，是周先生团队在世界上率先提出手性螺环催化剂的设计思想，这体现了该项研究的原创性。其次，周先生团队又将这一设计思想变成事实，特别是在酮的不对称催化反应中的转化数达到450万，创造了手性催化效率记录。第三，手性螺旋催化剂具有普适性，能够大量推广，用于许多不对称催化反应，并有产业化的前景，对发明创造有很大贡献。

做深做透，才有可能攀登科学高峰

除了搞科研，教学也是周其林院士的重要工作。这里所说的教学，并非仅局限于给学生们上课。周其林不止一次对学院的教师们提出这样一个问题：我们在高校里做基础研究的最大意义是什么？

对此，他给出的答案是通过研究来教育和培养学生，特别是研究生。“我们最好的科研成果其实是培养了很多人才，他们有的留在高校做科研，有的进入企业成为骨干，这就是我们教育最大的收获。”

也正是凭借严谨、勤奋、专注、努力的学风建设，周其林团队才取得了今天的收获。

“2000年，我成为周先生的一名研究生，为了让我们专心做研究，周先生不仅创造了很好的环境，引导我们思考，还根据每个人的特点，给予我们很大的发挥空间，鼓励做出自己的特色。”南开大学化学学院副院长朱守非教授坦言。

南开大学元素有机化学研究所谢建华教授补充道：“写博士论文的时候，周先生非常严谨，给我们一遍遍批改，最后全篇文章批注、修改都是红色，所以我们的数据非常严谨。”

南开大学元素有机化学研究所王立新高工对此深有感触，她说，与周先生一起工作的这20年，是每天都在学习的20年。“我在实验室主要负责分析工作，以我们学生合成手性化合物后要做的色谱分析为例，假如手性化合物在色谱图上出峰需要100分钟，周先生就会要求学生做到200分钟，这样做的目的是要看样品是否含有其它杂质，并且保证目标化合物在色谱图中处于坐标的中心位置，呈现严谨的图像。”

王立新进一步补充道，每个周六下午是我们实验室的组会时间，已经坚持了二十年，从未间断。周先生出差时，如果赶上谢老师和朱老师不在，他周六就会赶回来，拎着行李箱直接来到实验室和学生们开组会。

“我回国刚到南开化学学院工作那几年，周先生自己没怎么发表论文，都是鼓励学生去潜心做科研。他对每个学生选题、开题、报告，都有原始数据和过程记录。”陈军说道，“周先生在做院长期间对院里学科建设、人才培养以及科学研究等方面抓得很紧，要求老师和学生们追求原创。特别是在基础研究上，要求我们一定要做深做透，这样才可能去攀登科学高峰。正是周先生倡导的严谨、勤奋、创新的学风建设，为今天化学院取得的成绩奠定了坚实的基础。”

周其林团队：周其林（右二）、朱守非（右一）、王立新（右三）、谢建华（后排左二），图片由周其林团队提供。

强调基础科学研究的重要性

每天早上七八点到实验室，晚上八九点左右离开，离开前和实验室的学生一一交流，一周6个工作日，这是周其林二十几年来日复一日的周期运转。

对此，周其林笑称，现在下班时间已提前了。“50岁以前我一般21点以后回去，过了50岁是20点以后回去，现在超过60岁了，逐渐19点以后就回去了。估计到70岁，可能18点以后下班，80岁以后能实现17点以后下班。”周其林说。

20年，专心研究一个内容？苦不苦？

周其林坦言，对做研究的人来说，如果这不是自己所喜欢的，每天坐在办公室里不回家，那肯定太辛苦了。但对于喜欢的人来说，有空就往办公室、实验室跑，和学生们天天探讨未知，有一种好奇心的满足，所以觉得非常快乐。20年来从事手性螺环催化剂研究，是一件非常愉快的事，并不辛苦。但是，我们实验室成员的家人肯定有怨言，但他们依然选择了支持，为我们解决了后顾之忧，我们很感激他们。

“我们从事手性螺环催化剂研究，属于基础科学研究。其实现在很多困扰我们的问题，表面上看是技术问题，其实根源是基础研究没有做扎实，很多领域的基本科学问题没有弄清楚所以做不出原创性的成果。创新是全链条创新，各行各业、各个阶段都需要创新，但最基础的源头创新一定是从基础研究中来。”周其林说。

对于广大科技工作者，周其林建议，世界上没有最好的工作，只有最适合你的工作。一定要找准自己喜欢的领域，坚持研究下去，然后享受这个过程。“做自己喜欢的事本身就是最幸福的。”

此外，周其林还强调，做科研一定要具备独立思考的能力，因为做研究就是要发现未知的东西，基本上都是从质疑入手，怀疑现有的原理、定理、条条框框。“比如一个药物，不能因为它已经使用了一百年了就不去研究它的副作用了。那是不科学的，也是不负责任的。”

关于未来，周其林表示，手性螺环催化剂将不再是他们团队的主要研究方向。“对于高效手性螺环催化剂而言，我们已经完成从0到1的突破，今后应该交给应用领域的科学家，把它广泛应用于药物、农业、香精香料等行业。我们团队未来的研究重心将转向新的方向，例如生物质转化、生物活性天然产物合成和丰产金属催化反应等领域，依然是基础科学研究，希望为科学、为国家可持续发展做一些贡献。”