一半有效,一半有毒,我研究的“手性”是什么?
我叫周其林,南開大學(xué)有機(jī)化學(xué)的教授。我做的研究主要是研究合成的方法,具體講就是怎么創(chuàng)造分子,那么創(chuàng)造分子呢,它是我們化學(xué)的一個(gè)中心任務(wù),只有有了這樣一些分子,你才能夠再發(fā)展出一些有用的東西,比如說藥物、農(nóng)藥這些東西。
具體來說,我做的一些創(chuàng)造分子的方法,是做創(chuàng)造手性分子的方法。講到手性分子呢,它就是一類分子,它有一些異構(gòu)體,那么有了異構(gòu)體之間的相互關(guān)系,就像人的左右手了,所以它就叫手性分子,是這么來的。因?yàn)樗粋€(gè)異構(gòu)體就相當(dāng)于你的左手,一個(gè)異構(gòu)體相當(dāng)于你的右手,它相互之間是呈鏡像關(guān)系,雖然看起來一樣,但是實(shí)際上不一樣。
你只要戴個(gè)手套你就知道了,左手手套戴到右手上它就不合適。那為什么要研究這類分子呢?因?yàn)檫@類分子,它這兩個(gè)異構(gòu)體的性質(zhì)不一樣,尤其是對(duì)生命的生物性質(zhì)不一樣,比如說一些藥物,像我們現(xiàn)在吃的藥物里面有一半的就是手性的藥物,那手性藥物它一個(gè)異構(gòu)體常常有效,另外一個(gè)異構(gòu)體它有時(shí)候無效,甚至還有毒。
你如果要不把它分別做出來,那讓病人來吃這兩個(gè)異構(gòu)體的混合物的話,那不是帶來了災(zāi)難嗎?所以我們就發(fā)展了方法,就是要選擇性地合成我們要的那個(gè)異構(gòu)體,要左手的那咱就合成左手的異構(gòu)體,要右手的那就合成右手的異構(gòu)體,這就是我工作的性質(zhì)。
那么再具體講呢,我怎么才能做到這樣一些手性分子選擇性地合成它所需要的這個(gè)手性異構(gòu)體呢?那就是催化劑。那我的工作呢,過去的二十年主要的工作就集中在這個(gè)手性催化劑的發(fā)展上。通過這個(gè)努力,我們發(fā)展了一類手性螺環(huán)催化劑,這個(gè)螺環(huán)催化劑,目前是保持了在手性的合成里面的最高的效率。所以,獲得2018年的未來科學(xué)大獎(jiǎng),有幸能得到這個(gè)獎(jiǎng),也是因?yàn)檫@個(gè)催化劑的發(fā)現(xiàn),它確實(shí)把手性分子的效率提高到了一個(gè)新的高度。過去我們用一個(gè)催化劑,常常用到十分之一,百分之一呀這些,或者千分之一了不得了,那我們現(xiàn)在的催化劑最高可以用到百萬分之一催化劑就夠了,那效率就非常的高了,而且選擇性呢,也非常的好。
與生活息息相關(guān)的手性現(xiàn)象
這個(gè)自然界里面很多東西,其實(shí)都有手性現(xiàn)象,我們只不過沒有注意它。我們生活的這樣一個(gè)宇宙的星云,實(shí)際上它旋轉(zhuǎn)的方向是確定的,這個(gè)是宏觀的。到了我們?nèi)粘5纳瞵F(xiàn)象,你去看看比如說一個(gè)藤條吧,那一個(gè)牽?;ò?,它順著那個(gè)樹呀往上爬的時(shí)候,它不是說亂的,今天左手螺旋,明天右手螺旋,它不是這樣的,它是有確定的攀爬方向的,這些都是手性現(xiàn)象。還有那個(gè)螺螄殼,那螺螄殼它是不是一個(gè)螺旋形的?那么它基本上都是右手螺旋的,左手螺旋的是很少的。
這些呢,就是我們能看到的宏觀的。那微觀的呢,到分子層次上,組成我們生命體的一些基本物質(zhì),比如組成蛋白質(zhì)的氨基酸,它就是單一手性了,它就是L構(gòu)型的。組成我們的這樣一些糖的一些分子,它里面都是右旋的,它都是D型的,它不是說哪種構(gòu)型都有的,它有確定的構(gòu)型。也就說客觀世界里面,從微觀的到宏觀的很多的重要的物質(zhì),它都是手性的,而且是單一手性的。那么正因?yàn)檫@樣,我們才研究手性分子,因?yàn)樗_實(shí)是跟我們的生活息息相關(guān)的。
研究要與環(huán)保節(jié)約結(jié)合
經(jīng)濟(jì)性,這個(gè)我相信大家都知道,就是用最節(jié)省的方法來做事情,那就叫這個(gè)事情做的比較經(jīng)濟(jì),成本不高,對(duì)吧。那么在合成里面,在我們發(fā)展合成方法里面,也同樣有這個(gè)道理。你用到的原料,這個(gè)原料我們講是分子,做有機(jī)合成的話它講的是分子,這個(gè)分子里面呢,它是原子組成的。你這分子里面在做反應(yīng)的時(shí)候,是不是所有的原子都利用上了,利用了多少,這就有個(gè)效率問題,這個(gè)就是原子經(jīng)濟(jì)性。
如果你要做一個(gè)反應(yīng),你的原料的分子里面的原子全部用上了,全部進(jìn)入到了分子里面了,100%的用上了,這個(gè)原子經(jīng)濟(jì)性就叫100%。那如果是用了一半,那原子量是一百,你進(jìn)去的原子量加在一起呢,只用了50,所以呢,你就是50%,這個(gè)原子經(jīng)濟(jì)性是這樣的。這個(gè)原子經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)在是在有機(jī)合成里面非常重要的一個(gè)概念,因?yàn)樗俏覀儸F(xiàn)在更加強(qiáng)調(diào)節(jié)約資源、節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)所要求的。你如果說能夠做到一個(gè)反應(yīng),原子經(jīng)濟(jì)性100%,也就是說原料的分子里面的原子都用上的話,那你自然就沒有產(chǎn)生廢料了,那這樣的話對(duì)環(huán)境保護(hù)不就是更好了。
所以說,在現(xiàn)代有機(jī)合成,尤其是現(xiàn)在當(dāng)下對(duì)環(huán)境、對(duì)資源特別強(qiáng)調(diào)的情況下,原子經(jīng)濟(jì)性是個(gè)很重要的概念。隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)環(huán)境的要求是越來越高,因?yàn)橘Y源是越來越少了,你不提高它的利用效率的話,那以后就不可持續(xù)發(fā)展了。所以倒不是說以前呢,不知道這回事兒,而是以前沒有這么迫切的需要。那現(xiàn)在呢,隨著資源慢慢慢慢地越來越少,隨著環(huán)境的問題越來越突出,人的生活水平提高了,對(duì)環(huán)境呀、對(duì)資源的要求也高了,所以大家就更加重視了。
現(xiàn)在呢,我們做基礎(chǔ)研究的人就是非常的重視這個(gè)問題,所以我們從源頭上發(fā)展出一些方法來,它就是綠色的,它就是高效的,它就是原子經(jīng)濟(jì)性高了,這樣才能使得真正生產(chǎn)的過程當(dāng)中呢,從源頭上就減少了。
科研就是要享受創(chuàng)造之美
因?yàn)槲抑饕亲隹蒲械?,那我所從事的教育主要是研究生階段。對(duì)我來講,教育跟科研就是一回事兒了,因?yàn)槭俏疫@個(gè)特殊的教育,從事的這個(gè)教育的特殊的階段決定的。研究生教育的話,那一定是要帶著學(xué)生進(jìn)入到科研,讓他享受到創(chuàng)造之美,它是個(gè)快樂,享受到創(chuàng)造的快樂。
成功的喜悅它能彌補(bǔ)、補(bǔ)償他所有的付出,所以如果說一個(gè)老師的話,他能夠帶領(lǐng)學(xué)生做真正的創(chuàng)新性的研究,那就是最好的教育,對(duì)研究生來講就是最好的教育。最重要的就是你是不是在從事最前沿的科學(xué)研究,這是最重要的,如果你本身做的研究就不是前沿的,那學(xué)生到這兒來就沒有創(chuàng)造出什么新東西,他就享受不到這種創(chuàng)造的快樂了,所以他當(dāng)然就不會(huì)熱愛這個(gè)東西,所以最重要的還是自身的提高,自身是不是在從事最前沿的研究,這是我的體會(huì)。
困難總是多的,成功相對(duì)來說,這個(gè)時(shí)間上是少的,但是正因?yàn)槟銊?chuàng)造出來新東西,那個(gè)快樂能彌補(bǔ)你前面所有的不快樂的時(shí)候,所以他還接著干,我就有這樣的體會(huì)。
雖然平時(shí)做這個(gè)研究,有很多時(shí)候都失敗了,在失敗的時(shí)候,你要有個(gè)正確的心態(tài),探索未知就是這樣的,它本身就是一種過程,就是一種享受。我今天探索了一個(gè)新的方法,看看行不行,滿懷希望,那最后不行,不行沒關(guān)系,我再來想一個(gè)辦法。每天嘗試新的挑戰(zhàn),總有成功的時(shí)候吧,那一個(gè)成功就能彌補(bǔ)前面好長(zhǎng)時(shí)間的失敗。這個(gè)化學(xué)確實(shí)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)科,但是它也要豐富的想象力,因?yàn)槭裁茨??因?yàn)橐粋€(gè)復(fù)雜的分子,我今天講的是很簡(jiǎn)單的分子,它因?yàn)樯婕暗阶罨A(chǔ)的非常本質(zhì)的化學(xué)鍵成鍵,碳碳鍵成鍵,所以說有人講有機(jī)合成也是一門藝術(shù),它又有實(shí)際的一面,也有想象力的一面,只有想象力豐富的人呢,才能做好化學(xué),你能想出一些別人想不出來的方法,想象力要豐富。
但同時(shí)你也要非常的勤勞,所以化學(xué)它的要求高就高在哪兒呢?既要大腦又要雙手,很多的科學(xué)要一樣就行了。
周其林,2018年未來科學(xué)大獎(jiǎng)-物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)?,南開大學(xué)教授,中國(guó)科學(xué)院院士。2009年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士;2012年獲得首屆中國(guó)化學(xué)會(huì)手性化學(xué)獎(jiǎng) ;2013年擔(dān)任南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院院長(zhǎng);2018年獲得未來科學(xué)大獎(jiǎng)-物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng);2019年獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。周其林主要研究不對(duì)稱催化,包括設(shè)計(jì)合成新型手性配體和手性催化劑,開發(fā)新的不對(duì)稱催化反應(yīng);生物活性的手性天然和非天然化合物合成;手性藥物合成。
聲明:化學(xué)加刊發(fā)或者轉(zhuǎn)載此文只是出于傳遞、分享更多信息之目的,并不意味認(rèn)同其觀點(diǎn)或證實(shí)其描述。若有來源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益,請(qǐng)作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系,我們將及時(shí)更正、刪除,謝謝。 電話:18676881059,郵箱:gongjian@huaxuejia.cn