[科普中國]-周其林院士：手性是自然界的基本屬性，與人類生活息息相關(guān)

2018年11月18日，2018年未來科學(xué)大獎頒獎典禮在北京盛大舉行，80余位世界頂級科學(xué)家蒞臨現(xiàn)場共同見證。三位化學(xué)家馬大為、馮小明、周其林因為發(fā)明了更優(yōu)良的催化劑，在提高化學(xué)合成效率、加快藥物研發(fā)和生產(chǎn)的同時還降低了成本，共享了今年的物質(zhì)科學(xué)獎。在頒獎典禮當(dāng)天，騰訊科學(xué)對周其林院士進(jìn)行了采訪。周其林院士從生活中的手性出發(fā)，就其研究領(lǐng)域，手性催化，為大家做了通俗而有趣味的講解?？此聘呱钅獪y的“手性”，原來在我們的身邊隨處可見，并與人類生活密切相關(guān)。周其林：南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，中國科學(xué)院院士。因獨創(chuàng)性地發(fā)展了新型手性螺環(huán)配體及催化劑，獲得2018未來科學(xué)大獎“物質(zhì)科學(xué)獎”。手性無處不在，成因眾說紛紜“手性”這個詞聽起來雖然陌生，但它其實是自然界的基本屬性。周其林院士介紹說，“手性”是指自然界的一種現(xiàn)象。大到我們的宇宙星云，小到比如蝸牛、牽?；?，仔細(xì)觀察，都有特定的方向。像蝸牛的殼，都是右手螺旋；牽?；ǖ奶伲L時也總是以右手螺旋方向纏繞。在更小尺度的微觀分子層面，也有類似現(xiàn)象。比如組成我們生命的一些基本物質(zhì)，氨基酸分子都是左旋的，糖分子都是右旋的。我們把這種現(xiàn)象稱為手性現(xiàn)象。圖注：蝸牛的殼，都是一個右手螺旋“手性”這個名稱的由來，“其實是一種形象的比喻”。周其林院士說，就像我們的左手和右手，看起來一樣，實際上不一樣，學(xué)術(shù)的說法叫“互成鏡像，但相互不能重疊”。不管從微觀還是宏觀，如果物質(zhì)有兩種形式，就像左手和右手一樣，互成鏡像，但是不能重疊，這類物質(zhì)我們就叫手性物質(zhì)。如果一個物體，其鏡像不能與原物體重合，我們就說它是“手性的”。圖注：左手和右手，互成鏡像，能夠?qū)蠀s不能翻轉(zhuǎn)重疊圖注：兩種手性的氨基酸分子，互成鏡像，卻不能重疊手性可以“向左（左旋）”，也可以“向右（右旋）”。但實際上，我們現(xiàn)在看到的很多物質(zhì)，都是單一手性的：要么都“向左”，要么都“向右”。這是怎么形成的呢？有很多種解釋。周其林院士說：一種觀點是，慢慢進(jìn)化來的?！霸缙冢ǖ厍蛏系奈镔|(zhì)）是完全對稱的，即左旋的和右旋的量相等，由于偶然的因素，一個變得多了一點——稱之為對稱性破缺?！苯?jīng)過億萬年的進(jìn)化，多的那個變得越來越多，少的那個變得越來越少，最后自然進(jìn)化成現(xiàn)在的單一手性。還有一種說法是，地球上的手性是外來的。比如慧星掃過地球的時候飄落的一些東西；還有隕石，在澳大利亞就發(fā)現(xiàn)了一顆隕石（Murchison meteorite），從上面分離出一些地球上本身不存在的手性氨基酸。人們就推測，地球上早期是沒有手性的，只是受到外來物影響，導(dǎo)致地球上的對稱性破缺。圖注：外來說認(rèn)為，地球上的手性可能來自彗星或隕石帶來的物質(zhì)（右圖為著名的默奇森隕石）除地球說和外來說以外，還有很多有關(guān)手性起源的假說。但真實情況到底是怎樣的？周其林院士說，“至今都很模糊”。自然物質(zhì)為何會發(fā)展出單一手性？“在生命的起源還沒有回答之前，手性的起源也是沒法回答的?！蓖瑫r，周其林院士也提到，微觀手性分子能組成宏觀手性物體，但組成宏觀手性物體并不一定需要微觀手性物質(zhì)。也就是說，“非手性的微觀物質(zhì)，如非手性分子也能組裝成宏觀手性物體”。比如，二氧化硅分子（沙子的主要成分）本身并沒有手性，但是它堆積在一起就有可能產(chǎn)生一塊手性晶體，石英。跟由手性分子組成單一手性的宏觀物體不同，這種由非手性分子組成的宏觀手性物體的手性是不確定的，有時得到“向左的”，有時得到“向右的”，有時得到“向左”和“向右”的混合物。手性與生活息息相關(guān)，曾引發(fā)巨大悲劇雖然聽起來拗口，但手性其實與我們的生活密切相關(guān)。最著名的例子，就是上世紀(jì)50年代的“反應(yīng)?！笔录?。這是一種藥物，學(xué)名叫沙利度胺，其分子是手性的，其中，右旋分子有鎮(zhèn)靜功效，而左旋分子卻會導(dǎo)致胎兒畸形。當(dāng)時人們將右旋分子和左旋分子的混合物一同入藥，用于治療孕婦在孕早期的妊娠嘔吐，結(jié)果導(dǎo)致大批畸形嬰兒的出生。在我們的日常生活中，也有一些例子。比如說咖啡和冷飲里面用到的“健康糖”，這個東西其實不是糖，而是兩個氨基酸組成的肽，它是一種甜味劑，吃了不會發(fā)胖，并且比糖甜200倍，2毫克就相當(dāng)于原來一大包糖。組成“健康糖”的兩個氨基酸分子都是單一手性的。如果是另一種手性會怎樣呢？“味道是苦的”。圖注：咖啡里用的甜味劑肽，它的兩個氨基酸都是單一手性的怎么解釋呢？周其林院士說，因為組成我們生命的基本物質(zhì)是手性的，比如氨基酸、蛋白質(zhì)、DNA、糖以及糖組成的纖維素等，都是手性的。組成我們?nèi)梭w感官的一些物質(zhì)，也是手性的。并且都是單一手性的。那么外來物質(zhì)，比如吃的東西，藥物，手性不相同的時候就能感知，反映出來就是苦和甜，有毒或無毒，非常清楚的區(qū)分?！斑@是人體對外來物的識別”，周其林院士說，其實，手性催化和它的原理是一樣的。識別導(dǎo)致人感到苦或甜、毒性或非毒性；手性催化劑也能識別反應(yīng)物，使其反應(yīng)或不反應(yīng)。在反應(yīng)中，催化劑就像分子機(jī)器，用原料（反應(yīng)物）造出產(chǎn)品（生成物）。手性催化劑能夠識別手性，讓反應(yīng)只向一個路徑發(fā)生，或者說，只生成特定手性的產(chǎn)物，而不是像普通催化劑一樣，生成兩種手性（左旋和右旋分子）的混合物。借助這種手性識別（手性催化反應(yīng)），我們就能制造出只含右旋分子的沙利度胺，從而避免“反應(yīng)?！钡谋瘎　τ谄渌中晕镔|(zhì)，我們也能直接生成所需構(gòu)型的產(chǎn)品，而不產(chǎn)生另一構(gòu)型的廢物。配體是好拍檔，賦予催化劑手性識別功能那么，這種定向反應(yīng)（只產(chǎn)生單一手性物質(zhì)）是怎么實現(xiàn)的呢？周其林院士說，“就是讓手性催化劑識別分子構(gòu)型”。至于怎么識別，有很多分子間相互作用可以利用，“這是催化劑設(shè)計的依據(jù)”。那研究中用到的手性配體，在中間起什么作用呢？周其林院士介紹到，手性催化劑有幾類，最多的一類是手性金屬催化劑，它是由手性配體和金屬形成的。比如這次獲獎的他們?nèi)齻€人，用的催化劑都屬于手性金屬催化劑。“催化劑中金屬提供反應(yīng)位點，活性中心（讓反應(yīng)得以發(fā)生），配體給催化劑提供了識別功能（讓反應(yīng)有選擇性地進(jìn)行）”，周其林院士說。圖注：手性配體（藍(lán)色）+金屬（紅色），形成手性金屬催化劑對于他本人的獲獎研究，手性螺環(huán)配體，周其林院士介紹說，“螺環(huán)”指的就是一類配體結(jié)構(gòu)。這種手性螺環(huán)配體，是他們首次提出和發(fā)現(xiàn)的，被稱為“周氏螺環(huán)配體”。通過將螺環(huán)配體跟不同的金屬結(jié)合，就可以形成一系列的手性催化劑。與其他催化劑相比，這些催化劑有許多優(yōu)越性，比如，適用的反應(yīng)多，在反應(yīng)中的選擇性好，活性高（用的劑量少）。其中有一些已經(jīng)用在了手性藥物的生產(chǎn)上面，例如，心血管、降壓藥、心臟病、糖尿病、抗病毒等藥物。但周其林院士也同時指出，他的大多數(shù)工作還是在基礎(chǔ)研究上。失敗和成功沒有區(qū)別，失誤中也有意外之喜說到基礎(chǔ)理論研究，周其林院士稱，“它和技術(shù)開發(fā)不太一樣?！币粋€典型的技術(shù)開發(fā)過程，會先有目標(biāo)，比如要解決某個藥物的合成反應(yīng)問題，就針對這個反應(yīng)去嘗試各種已有的催化劑，很少從頭做新催化劑。而做基礎(chǔ)研究，一開始沒有明確的應(yīng)用目標(biāo)，“就是要尋找高效的催化劑”，也不確定會用在哪個反應(yīng)，只是憑感覺把自己認(rèn)為最好的催化劑做出來，再找各種反應(yīng)去試。結(jié)果如何呢？周其林院士說，“絕大多數(shù)情況下，都是失敗的，（做出來的催化劑）對這個反應(yīng)也沒效，那個反應(yīng)也沒效。但是，”周其林院士說到，“一旦（我們）做出來，就一定是原來沒有的”。那么，如何應(yīng)對接二連三的失敗呢？周其林院士稱，對他來說，其實成功和失敗沒有太大區(qū)別，因為“做的不成功的時候，也會有收獲”。比如，某次實驗保護(hù)沒做好，水汽進(jìn)去了，想做的東西沒做出來，卻發(fā)現(xiàn)得到的副產(chǎn)物更有用?！坝眯姆治雒恳淮畏磻?yīng)，可能有意外之喜”，“這是研究的樂趣所在”。被問到螺環(huán)配體在國際上的研究情況，以及中國在這方面的研究水平，周其林院士稱： “水平”這個東西很難講，要講水平、一般講整體水平，比如我們國家的有機(jī)化學(xué)水平。單就個人的研究來說，這不好講?！澳阕龀鲆粋€東西，不一定意味著水平比別人高。”周其林院士說，“只能說，螺環(huán)配體和催化劑目前已經(jīng)被廣泛使用，被用到了一百多種反應(yīng)里”。（注：螺環(huán)配體是周其林院士的獨創(chuàng)性發(fā)明，而非一個研究領(lǐng)域，因記者誤解，導(dǎo)致該提問無解）新時代有新要求，催化研究沒有止境那么，目前在催化研究領(lǐng)域，還有哪些急需解決的問題呢？周其林院士說，非常多。整個催化研究領(lǐng)域都面臨一些共同問題。以他本人研究的螺環(huán)配體催化劑為例：一方面，這些催化劑雖然能解決一些反應(yīng)，但是還有更多的反應(yīng)無法解決。而且社會發(fā)展需要的分子和材料非常多樣，所以還要發(fā)展新型催化劑來解決這些分子和材料的合成問題。另一方面，新時代對化學(xué)又提出了新要求。過去的一些反應(yīng)，當(dāng)時可以說是很好，但是，如果用現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)，就不合格了。比如現(xiàn)在講的綠色化學(xué)，就要求我們做反應(yīng)，不要用有毒的原料，只得到需要的產(chǎn)品、不產(chǎn)生副產(chǎn)物，還要節(jié)約資源、節(jié)約能源、安全，所有的方面都要考慮。“按照這樣高標(biāo)準(zhǔn)的綠色化學(xué)要求，過去很多的反應(yīng)，包括我們做的很多反應(yīng)都不達(dá)標(biāo)”，周其林院士說，“還有更高的高峰等我們?nèi)ヅ实??！痹诰G色化學(xué)的12條原則里，有一條重要原則就是用催化劑解決這些問題?！八裕敝芷淞衷菏空f，“我們對催化劑的研究前景還是很樂觀的，有很多問題需要用催化劑去解決?！?img src="https://img-xml.kepuchina.cn/images/newsWire/znV0xFl04NFyAh6ii40R8D1CXYfkhEGn5adt" alt="" />圖注：周其林院士在采訪現(xiàn)場在采訪的最后，周其林院士說到，手性科學(xué)的科普是一件較困難的事，“因為涉及到手性問題，比較復(fù)雜”。在更早一次的接觸中，周院士也曾提到科普的重要性，并表示了對科普工作的理解和支持。作為采訪者，我們非常榮幸約到相對充裕的時間，專門聽周院士介紹該領(lǐng)域的工作。他溫和的談吐，富有耐心的講解，給現(xiàn)場眾人留下極深刻的印象。我們恭喜周院士獲得此次大獎，并期待他在該領(lǐng)域不斷取得新進(jìn)展，也期待催化研究給人類生活、生產(chǎn)帶來更多驚喜。受訪人：周其林 南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授 中國科學(xué)院院士（本文發(fā)布前由受訪人審稿）采訪人：高佩雯 騰訊科學(xué)文章由騰訊科學(xué)“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項目”團(tuán)隊推出轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”