[科普中国]-周其林院士：手性是自然界的基本属性，与人类生活息息相关

2018年11月18日，2018年未来科学大奖颁奖典礼在北京盛大举行，80余位世界顶级科学家莅临现场共同见证。三位化学家马大为、冯小明、周其林因为发明了更优良的催化剂，在提高化学合成效率、加快药物研发和生产的同时还降低了成本，共享了今年的物质科学奖。在颁奖典礼当天，腾讯科学对周其林院士进行了采访。周其林院士从生活中的手性出发，就其研究领域，手性催化，为大家做了通俗而有趣味的讲解。看似高深莫测的“手性”，原来在我们的身边随处可见，并与人类生活密切相关。周其林：南开大学化学学院教授，中国科学院院士。因独创性地发展了新型手性螺环配体及催化剂，获得2018未来科学大奖“物质科学奖”。手性无处不在，成因众说纷纭“手性”这个词听起来虽然陌生，但它其实是自然界的基本属性。周其林院士介绍说，“手性”是指自然界的一种现象。大到我们的宇宙星云，小到比如蜗牛、牵牛花，仔细观察，都有特定的方向。像蜗牛的壳，都是右手螺旋；牵牛花的藤，生长时也总是以右手螺旋方向缠绕。在更小尺度的微观分子层面，也有类似现象。比如组成我们生命的一些基本物质，氨基酸分子都是左旋的，糖分子都是右旋的。我们把这种现象称为手性现象。图注：蜗牛的壳，都是一个右手螺旋“手性”这个名称的由来，“其实是一种形象的比喻”。周其林院士说，就像我们的左手和右手，看起来一样，实际上不一样，学术的说法叫“互成镜像，但相互不能重叠”。不管从微观还是宏观，如果物质有两种形式，就像左手和右手一样，互成镜像，但是不能重叠，这类物质我们就叫手性物质。如果一个物体，其镜像不能与原物体重合，我们就说它是“手性的”。图注：左手和右手，互成镜像，能够对合却不能翻转重叠图注：两种手性的氨基酸分子，互成镜像，却不能重叠手性可以“向左（左旋）”，也可以“向右（右旋）”。但实际上，我们现在看到的很多物质，都是单一手性的：要么都“向左”，要么都“向右”。这是怎么形成的呢？有很多种解释。周其林院士说：一种观点是，慢慢进化来的。“早期（地球上的物质）是完全对称的，即左旋的和右旋的量相等，由于偶然的因素，一个变得多了一点——称之为对称性破缺。”经过亿万年的进化，多的那个变得越来越多，少的那个变得越来越少，最后自然进化成现在的单一手性。还有一种说法是，地球上的手性是外来的。比如慧星扫过地球的时候飘落的一些东西；还有陨石，在澳大利亚就发现了一颗陨石（Murchison meteorite），从上面分离出一些地球上本身不存在的手性氨基酸。人们就推测，地球上早期是没有手性的，只是受到外来物影响，导致地球上的对称性破缺。图注：外来说认为，地球上的手性可能来自彗星或陨石带来的物质（右图为著名的默奇森陨石）除地球说和外来说以外，还有很多有关手性起源的假说。但真实情况到底是怎样的？周其林院士说，“至今都很模糊”。自然物质为何会发展出单一手性？“在生命的起源还没有回答之前，手性的起源也是没法回答的。”同时，周其林院士也提到，微观手性分子能组成宏观手性物体，但组成宏观手性物体并不一定需要微观手性物质。也就是说，“非手性的微观物质，如非手性分子也能组装成宏观手性物体”。比如，二氧化硅分子（沙子的主要成分）本身并没有手性，但是它堆积在一起就有可能产生一块手性晶体，石英。跟由手性分子组成单一手性的宏观物体不同，这种由非手性分子组成的宏观手性物体的手性是不确定的，有时得到“向左的”，有时得到“向右的”，有时得到“向左”和“向右”的混合物。手性与生活息息相关，曾引发巨大悲剧虽然听起来拗口，但手性其实与我们的生活密切相关。最著名的例子，就是上世纪50年代的“反应停”事件。这是一种药物，学名叫沙利度胺，其分子是手性的，其中，右旋分子有镇静功效，而左旋分子却会导致胎儿畸形。当时人们将右旋分子和左旋分子的混合物一同入药，用于治疗孕妇在孕早期的妊娠呕吐，结果导致大批畸形婴儿的出生。在我们的日常生活中，也有一些例子。比如说咖啡和冷饮里面用到的“健康糖”，这个东西其实不是糖，而是两个氨基酸组成的肽，它是一种甜味剂，吃了不会发胖，并且比糖甜200倍，2毫克就相当于原来一大包糖。组成“健康糖”的两个氨基酸分子都是单一手性的。如果是另一种手性会怎样呢？“味道是苦的”。图注：咖啡里用的甜味剂肽，它的两个氨基酸都是单一手性的怎么解释呢？周其林院士说，因为组成我们生命的基本物质是手性的，比如氨基酸、蛋白质、DNA、糖以及糖组成的纤维素等，都是手性的。组成我们人体感官的一些物质，也是手性的。并且都是单一手性的。那么外来物质，比如吃的东西，药物，手性不相同的时候就能感知，反映出来就是苦和甜，有毒或无毒，非常清楚的区分。“这是人体对外来物的识别”，周其林院士说，其实，手性催化和它的原理是一样的。识别导致人感到苦或甜、毒性或非毒性；手性催化剂也能识别反应物，使其反应或不反应。在反应中，催化剂就像分子机器，用原料（反应物）造出产品（生成物）。手性催化剂能够识别手性，让反应只向一个路径发生，或者说，只生成特定手性的产物，而不是像普通催化剂一样，生成两种手性（左旋和右旋分子）的混合物。借助这种手性识别（手性催化反应），我们就能制造出只含右旋分子的沙利度胺，从而避免“反应停”的悲剧。对于其它手性物质，我们也能直接生成所需构型的产品，而不产生另一构型的废物。配体是好拍档，赋予催化剂手性识别功能那么，这种定向反应（只产生单一手性物质）是怎么实现的呢？周其林院士说，“就是让手性催化剂识别分子构型”。至于怎么识别，有很多分子间相互作用可以利用，“这是催化剂设计的依据”。那研究中用到的手性配体，在中间起什么作用呢？周其林院士介绍到，手性催化剂有几类，最多的一类是手性金属催化剂，它是由手性配体和金属形成的。比如这次获奖的他们三个人，用的催化剂都属于手性金属催化剂。“催化剂中金属提供反应位点，活性中心（让反应得以发生），配体给催化剂提供了识别功能（让反应有选择性地进行）”，周其林院士说。图注：手性配体（蓝色）+金属（红色），形成手性金属催化剂对于他本人的获奖研究，手性螺环配体，周其林院士介绍说，“螺环”指的就是一类配体结构。这种手性螺环配体，是他们首次提出和发现的，被称为“周氏螺环配体”。通过将螺环配体跟不同的金属结合，就可以形成一系列的手性催化剂。与其他催化剂相比，这些催化剂有许多优越性，比如，适用的反应多，在反应中的选择性好，活性高（用的剂量少）。其中有一些已经用在了手性药物的生产上面，例如，心血管、降压药、心脏病、糖尿病、抗病毒等药物。但周其林院士也同时指出，他的大多数工作还是在基础研究上。失败和成功没有区别，失误中也有意外之喜说到基础理论研究，周其林院士称，“它和技术开发不太一样。”一个典型的技术开发过程，会先有目标，比如要解决某个药物的合成反应问题，就针对这个反应去尝试各种已有的催化剂，很少从头做新催化剂。而做基础研究，一开始没有明确的应用目标，“就是要寻找高效的催化剂”，也不确定会用在哪个反应，只是凭感觉把自己认为最好的催化剂做出来，再找各种反应去试。结果如何呢？周其林院士说，“绝大多数情况下，都是失败的，（做出来的催化剂）对这个反应也没效，那个反应也没效。但是，”周其林院士说到，“一旦（我们）做出来，就一定是原来没有的”。那么，如何应对接二连三的失败呢？周其林院士称，对他来说，其实成功和失败没有太大区别，因为“做的不成功的时候，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”。被问到螺环配体在国际上的研究情况，以及中国在这方面的研究水平，周其林院士称： “水平”这个东西很难讲，要讲水平、一般讲整体水平，比如我们国家的有机化学水平。单就个人的研究来说，这不好讲。“你做出一个东西，不一定意味着水平比别人高。”周其林院士说，“只能说，螺环配体和催化剂目前已经被广泛使用，被用到了一百多种反应里”。（注：螺环配体是周其林院士的独创性发明，而非一个研究领域，因记者误解，导致该提问无解）新时代有新要求，催化研究没有止境那么，目前在催化研究领域，还有哪些急需解决的问题呢？周其林院士说，非常多。整个催化研究领域都面临一些共同问题。以他本人研究的螺环配体催化剂为例：一方面，这些催化剂虽然能解决一些反应，但是还有更多的反应无法解决。而且社会发展需要的分子和材料非常多样，所以还要发展新型催化剂来解决这些分子和材料的合成问题。另一方面，新时代对化学又提出了新要求。过去的一些反应，当时可以说是很好，但是，如果用现在的标准，就不合格了。比如现在讲的绿色化学，就要求我们做反应，不要用有毒的原料，只得到需要的产品、不产生副产物，还要节约资源、节约能源、安全，所有的方面都要考虑。“按照这样高标准的绿色化学要求，过去很多的反应，包括我们做的很多反应都不达标”，周其林院士说，“还有更高的高峰等我们去攀登。”在绿色化学的12条原则里，有一条重要原则就是用催化剂解决这些问题。“所以，”周其林院士说，“我们对催化剂的研究前景还是很乐观的，有很多问题需要用催化剂去解决。”图注：周其林院士在采访现场在采访的最后，周其林院士说到，手性科学的科普是一件较困难的事，“因为涉及到手性问题，比较复杂”。在更早一次的接触中，周院士也曾提到科普的重要性，并表示了对科普工作的理解和支持。作为采访者，我们非常荣幸约到相对充裕的时间，专门听周院士介绍该领域的工作。他温和的谈吐，富有耐心的讲解，给现场众人留下极深刻的印象。我们恭喜周院士获得此次大奖，并期待他在该领域不断取得新进展，也期待催化研究给人类生活、生产带来更多惊喜。受访人：周其林 南开大学化学学院教授 中国科学院院士（本文发布前由受访人审稿）采访人：高佩雯 腾讯科学文章由腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”