从金属到有机小分子 手性催化剂如何改变世界？

  在化学世界里，有一类特殊的化合物，它们有两个镜像异构体，像人类的左右手，互为镜像却无法重叠，这就是手性化合物。就像左手戴不上右手的手套，这对“孪生兄弟”虽模样相似，性质却可能天差地别，而这种差别在药物领域尤为明显。

  在我们常用的药物里，超过一半是手性药，这些药使用的是手性化合物单一镜像异构体。手性化合物的两个镜像异构体通常具有不同的生理活性，会对身体产生完全不同的影响。比如，左手构型能治病，右手构型或许毫无作用，甚至危害健康。

  在传统催化中，手性分子的两个镜像异构体总是等比例出现，人们不得不费尽周折，将其分离，这就是化学拆分。化学拆分既费时，又浪费原料。不对称催化则是通过使用手性催化剂来实现不对称合成，其神奇之处在于手性催化剂能像一台精准的“机器”，能选择性地合成我们需要的单一镜像异构体。这种精准、高效地创造手性分子是科学家一直以来的梦想和追求。

  经过半个多世纪的发展，不对称催化取得了辉煌的成就，第一个突破就是发现了手性金属催化剂，它就像给研究装上了“加速器”，让不对称催化的研究速度大幅提升，也使科学家们找到了很多高效的手性催化剂。

  但由于手性金属催化剂经常要用到贵金属，而贵金属在地球上的储量是固定的，随着绿色环保和可持续发展的需求越来越迫切，科学家又找到了不使用金属的手性有机小分子催化剂。这两项工作都获得了诺贝尔化学奖。最近，科学家们又把目光投向了生物催化剂，就是通过向“酶”学习或者改造“酶”，找到新的手性催化剂。

  20世纪90年代，我选择回国，目的就是希望做出中国人自己的手性催化剂。20多年来，我和我的团队专注于一件事，那就是寻找更高效高选择性的手性催化剂。比如，别人使用1%的催化剂，我们能否使用千分之一甚至万分之一的催化剂；别人合成单一镜像异构体做到了90%的选择性，我们能否做到99%的选择性。

  我们把研究过程比作“搭积木”，以骨架为基础，通过调控电子效应和立体效应，不断修饰、优化。失败是常态，设计出的催化剂经常是无活性或者无选择性，那就推倒重来，再设计、再试验。经过多年潜心钻研，我们终于设计合成了一类新型手性螺环配体。在此基础上，我们又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，这类手性螺环催化剂被国际同行称为“周氏催化剂”。如今，已经应用于数百个不对称合成反应和许多手性药物的合成。

  常有人问我“从0到1”的跨越是不是很辛苦，但我从未这样想过。化学是创造新物质的科学，而创造的价值，在于被他人、被社会所用。能为科学进步添砖加瓦是何等幸福的事情，何来“辛苦”？

  真正的科研不是为了发文章，而是解决真问题。如果只想着发文章，几十年下来可能只留下一堆论文，却没有解决一个真正的科学问题，没有创造出为他人所用的物质、方法或者理论。依我看，这是浪费了自己的才华。衡量科研价值的关键，是创造的东西是否被他人采用，是否推动了科学的进步。

  当然，在解决科学问题的过程中，自然会产出文章。即使是所谓“失败”的研究，也会产生论文。比如合成复杂的天然产物往往需要几十步反应，过程中失败是常态，可能在20步时走不下去了，也可能在30步时卡壳。但这些“失败”里蕴藏着价值，哪怕只走了20步，只要关注的是重要科学问题，合成出了从未有人做过的中间体，这也是值得发表的阶段性成果。

  如今，我国化学研究的水平已经进入了世界先进行列，但最冒尖的原始创新还比较少，这是我们今后必须要突破的难题。在不对称催化领域，还没有一种催化剂能够“包打天下”，仍有更多高效、高选择性的手性催化剂等待发掘。

  （本文系未来科学大奖十周年庆典期间光明网采访周其林院士的内容，记者蔡琳、宋雅娟采访整理）