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天津日报1月11日刊发消息:妙“手”催化原创成果
南开大学周其林院士团队成果获国家自然科学奖一等奖
来源: 办公室          ( 2020-01-23 )
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手性螺环催化剂骨架示意图

  1.颁奖现场合影

2.指导学生实验

3.指导学生实验

4.周其林院士

 
  这项工作意义,在于发现了一类非常高效的催化剂,用来合成手性分子,制造手性药物。对于学术界的影响在于,很多过去不能够合成的分子,现在能够合成了;对产业界的影响就是,过去很多的药物合成起来非常困难,现在合成这些药物非常方便。

  1月10日,2019年度国家科学技术奖在北京揭晓。其中,中国科学院院士、南开大学化学学院教授周其林领衔完成的“高效手性螺环催化剂的发现”项目(主要完成人:周其林、谢建华、朱守非、王立新)荣获2019年度国家自然科学奖一等奖──这一中国自然科学领域的最高奖项。由于该奖项的评选严格性,在历史上曾多次空缺。这也是本年度唯一获得国家自然科学奖一等奖的项目。

 

  潜心20年攻克项目

  改变了人们对人工催化剂极限的认知

  一身深灰色西装、一条以化学元素装饰的领带,中国科学院院士、南开大学化学学院教授周其林以这样的装束出席了在北京人民大会堂隆重举行的2019年度国家科学技术奖励大会。

  “这项工作意义,在于发现了一类非常高效的催化剂,用来合成手性分子,制造手性药物。对于学术界的影响在于,很多过去不能够合成的分子,现在能够合成了;对产业界的影响就是,过去很多的药物合成起来非常困难,现在合成这些药物非常方便。”周其林这样描述团队此次的获奖项目。

  手性是指物体与其镜像不能重叠的现象,如同人的左右手。大到宇宙星云,小到分子结构,手性现象在自然界中普遍存在。不同手性的分子结构相似而性能不同,甚至大相径庭。在用于治疗的药物中,有许多是手性药物,手性药物的两种对映异构体,在生理过程中会显示出截然不同的药效。然而,在通常的化学合成中,这两种对映异构体出现的比例是相等的,所以对于制药公司来说,他们每生产一公斤药物,还要费尽周折,把其中另一半分离出来。因而,“想要右手分子就产生右手分子,想要左手分子就产生左手分子”的精准、高效地创造手性分子,就成为科学家追求的目标。不对称催化由此诞生并成为创造手性分子最有效的方法。

  周其林团队的工作,主要是在不对称催化领域,寻找或者设计新的更高效的手性催化剂。经过20年的持续努力和潜心攻关,周其林带领团队发展出一类全新的手性螺环催化剂骨架,基于这类骨架设计合成了一系列手性螺环催化剂──国内外同行称之为“周氏催化剂”。这不仅是南开化学的标志性成果,更成为合成化学中一个不可或缺的工具,被全球40多个研究组借鉴,系列手性螺环催化剂被列入国际著名试剂目录,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。手性螺环催化剂显著推动了合成化学学科的发展。

  “手性螺环催化剂带动了手性催化剂的发展,在科学上是有引领性的。”作为该项目参评国家自然科学一等奖的推荐人,中国科学院院士、上海交通大学常务副校长丁奎岭不吝于对这一科研成果的赞赏。丁奎岭在谈及推荐原因时说,手性螺环催化剂的发现和创造,不仅在科学上带来突破,同时带来了催化剂的卓越性能,继而产生了推动药物生产等一系列价值,具有“变革性”。

  在过去的研究中,虽然已出现许多手性催化剂,但真正对多种反应都有效的所谓“优势手性催化剂”很少。周其林带领团队发展的手性螺环催化剂,在多种不对称反应中表现出极高的催化活性和优异的对映选择性,甚至超越了大多数酶的水平,从而将手性分子的合成效率提高到了一个新的高度,也改变了人们对人工催化剂极限的认知。

  在发展手性螺环催化剂的过程中,周其林团队还系统发展了手性催化剂的设计方法,提出了“刚性骨架提高催化剂手性诱导能力和稳定性”的设计思想,为发展新型手性催化剂提供了理论依据。由于手性螺环催化剂的发展,多个不对称催化反应由“不可能”变成为可能,拓展了不对称催化领域。在催化效率方面,手性螺环催化剂在多个不对称催化反应中都保持了最高的催化活性和对映选择性记录,特别是2011年合成的一种高活性手性催化剂凭借455万的转化数,至今保持着分子手性催化剂的世界纪录。当年刊登论文的那期《德国应用化学》(国际化学领域两大顶级期刊之一)的封面图片为长城,即寓意着周其林团队“不到长城非好汉”的决心和登顶长城的喜悦。

 

  甘坐“冷板凳”20年

  致力传播“化学之美”

  1978年,21岁的周其林以物理91分、化学89分的好成绩考入兰州大学化学系。农村出身的周其林万分珍惜这来之不易的学习机会,他抓紧一切时间学习。大学毕业时,周其林就明确了自己的人生方向──从事有机化学的基础研究。

  1999年,周其林被教育部聘为第一批“长江学者”特聘教授,并转入南开大学工作。南开大学的有机化学科研实力强,学生素质高,加之学风严谨,为周其林安心做学问提供了良好的环境。从此,手性螺环催化剂也成为了周其林20年来的工作的核心。

  “每天早晨8点前准时到实验室,晚上八九点钟才离开,离开前和实验室的同学一一交流,一周6个工作日……”说起周其林的作息和工作安排,课题组成员王立新高级工程师觉得“如同化学反应一样严谨”,特别是课题组每个周六下午的组会,20年来更是雷打不动,很少会因为其他事情而将其取消。有时候周其林一下飞机,就拎着行李箱赶回实验室参加组会。

  在外人看来在“冷板凳”上单调枯燥的生活,对于周其林来说却充满魅力。不断改进合成新的配体和催化剂,螺环结构在周其林的手中宛如一只奇妙变幻的万花筒。

  然而,整个研究过程并不是一帆风顺的,甚至在大多数情况下,都是失败的:课题组做出来的催化剂,“对这个反应也没效,对那个反应也没效”是常有的事。但周其林始终坚持:“只要我们做出来,就一定是原来没有的。”

  面对失败,周其林经常会说:“做得不成功的时候,有时也会有收获。”比如,某次实验保护没做好,水汽进去了,想做的东西没做出来,却发现得到的副产物更有用。用心分析每一次反应,可能有意外之喜,这是研究的乐趣所在。正如他所说:“化学是一个最富创造性的学科。我们每天都在创造新物质,好奇心得到极大满足,我很享受这个过程。”

  坚持原创和追求严谨,是丁奎岭眼中的周其林对于学术的态度。“2001年已经有科学家在不对称催化领域获得了诺贝尔奖,要在这样的高度上,形成原始创新性突破,是很有难度的。国际上有那么多科学家进行相关的研究,如果不够严谨的话,就可能会受到同行的质疑。”丁奎岭说。

  20年来,周其林获得过很多有分量的大奖:首届中国化学会手性化学奖、全国教书育人楷模、被誉为“中国诺奖”的未来科学大奖……然而,走进周其林的办公室却发现,在最显著的位置摆放的是历年学生的实验记录。这从侧面反映了科学研究在他心目中的地位。

  在周其林看来,作为一名教师,培养人才是第一重要的事情,做科研在某种意义上讲也是教育,是培养创新型人才。如今,周其林已为国家培养了70余名优秀博士和硕士,他们大多在国内外知名大学、研究机构、制药公司任职,成为科学研究和技术开发的骨干,多人获得国家基金委杰出青年基金、优秀青年科学基金资助,入选国家万人计划、长江学者奖励计划等。

  “我最好的科研成果,实际上是我培养的学生。”在课题组成立20周年之际,学生们纷纷归来参加这次特殊的“组会”,望着济济一堂的爱徒们,周其林不由道出心声。

  在南开大学,几乎人人都知道,周其林院士的课题组是面向全校学生开放的,无论本科、硕士或博士,只要对他的研究方向感兴趣,都可以到他的实验室里体验一番。周其林说,对于各种各样的人,只要愿意学化学,他都愿意为此花上“一点时间、一点精力”。

  2003级哲学系的宋颂在大三的时候决定转到自己一直感兴趣的化学系,在研究生阶段进入周其林课题组,周其林帮他从最基本的实验操作练起,每次课题组组会,周其林也总会格外关注宋颂的汇报,并对他“加开小灶”。在周其林指导下,2014年,宋颂获得天津市优秀博士学位论文奖,现在已经成为北京大学医学部一名副教授。课题组的大门还曾向2011年从北京大学医学部英语专业本科毕业的陈勇敞开,2014年在周其林指导下,陈勇完成硕士论文并赴奥地利攻读博士学位。

  “他们从学习哲学、英语专业,到希望能够学习化学,可见其决心,我没有理由不接受他们,他们只是实验少了些,我帮他们补上就是了。”周其林说,“化学能够创造出这个世界原本没有的东西,是一门非常迷人的学科,我做的最重要一件事,就是为学生打开创造世界的大门。”

  周其林不止一次向同事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?他给出的答案是:教育和培养学生。周其林认为,这是作为一名教师的“初心”。

  “高校的科研是为了育人,周老师的这一观点对我影响很深,在自己教书育人的工作实践中,我牢记周老师对我的教导。”课题组成员、化学学院院长朱守非教授说,“科研为了育人,这让我们不会把学生当做‘员工’来对待,如果学生出现问题,我们会努力帮助他们,而不会苛责他们。”

  这一点,南开大学2014级直博生李茂霖也深有体会。确定直博后,李茂霖大三下学期进入周其林的课题组,开始接触“真正的”科研和实验。“对于一个实验‘小白’,周老师不仅没有嫌弃或是不耐烦,还利用组会的时间给我讲解,课题组里师兄师姐也给我指点实验最基本的操作方法规程。”李茂霖说,周老师对于学生非常耐心,但要求却不会降低,“我们进了课题组就会和研究生有同样标准的要求,不会因为是本科生就降低标准,我们也需要撰写、提交、反复修改实验报告等。”

  有人曾经问周其林,作为一个院士,每天做这么多细碎的工作,觉得值得吗?周其林却笑着说:“没有什么比和我的学生一起探索未知更幸福、更快乐的事了,这让我沉浸其中,我很平静、很享受,其他的事情,我就会忘了。”

 

  未来转型挑战其他新领域

  “催化”更多原创成果

  对周其林本人来说,力争在基础研究领域创新突破,是他始终不变的追求。在谈及今后的科研方向时,周其林表示,手性螺环催化剂还会发展,但不再是课题组今后的主要科研攻关方向。

  很多人惊讶于周其林的这一决定,毕竟“周氏催化剂”从研发到广获赞誉,凝聚着课题组20年的心血,且如今依然有空间将其发展得更为完美,就这样“转战”其他领域,实在是可惜。

  “作为基础研究,原创性的工作已经完成;接下来,周老师会继续带领我们瞄准其他更加基础的领域去研究。”对于周其林的决定,朱守非是这样认识的:周老师的手性螺环催化剂是“从0到1”的工作,他开拓了不对称催化新领域,其原始创新的工作已经基本结束。至于将手性螺环催化剂应用到更多药物、农药、香精香料等的合成和生产这样的研究工作,会有应用型科学家跟进。

  “直到我也成为一名教师,我才能够理解周老师的良苦用心。”朱守非这样说道。从2000年读研开始,朱守非进入了周其林的课题组,博士毕业后留校任教。他告诉记者,刚进课题组时,他发现导师周其林的文章数量并不是很多。在同行们文章不断的情况下,周老师的压力应是挺大的,但他从不把压力传导给学生,他甚至给学生们开出更高的“科研津贴”,以便让大家更从容地做自己喜欢的研究,感受创造带来的乐趣。

  “能够守住原则、把握节奏,为我们后学之人树立了榜样。”朱守非说。

  实际上,面对周其林提出的“转型”,课题组的成员已经有了很好的研究方向:谢建华教授致力于发展复杂天然产物不对称全合成的方法,朱守非致力于丰产金属催化剂的研究。而周其林本人则着眼于二氧化碳和生物质的转化,他经常想,几十年、一百年以后,石油、天然气等化石资源枯竭后,将用什么原料来合成人类文明所依赖的材料?这位肩负“创造新物质”责任的化学家,已着眼于未来,将“催化”出更多原创性成果。

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