第336期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《“万能”手性催化剂》
讲座题目：透视新科技——“万能”手性催化剂
主 持 人：胜春
做客嘉宾：余志祥，北京大学化学系教授。姜雪峰，华东师范大学教授。
讲座时间：2022年2月14日～2月20日
（备注：讲座视频可循环播放）
讲座内容：
各位好！欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。今天我们来聊一聊催化剂，其实催化剂在我们生活当中很常见，早在几千年前，古人就知道用催化剂酵母菌来酿造啤酒，今天我们洗衣服，洗衣粉当中也会加入催化剂、酶，它可以提高去污的能力。当然我们说的这些都是普通的催化剂，今天我们要说的是一个“万能”催化剂，它获得了2019年国家自然科学奖的一等奖。这种被国内外同行誉为最高效的分子催化剂，至今保持着分子催化剂的世界纪录，成为合成化学中一个不可或缺的工具，并广泛应用在与我们生活相关的众多领域。它究竟拥有哪些奇异功能？跟我们的生活到底有什么关系？为什么会获得这么高的荣誉？
首先我们给大家介绍一下我们今天到场的两位嘉宾，一位是北京大学化学系的余志祥教授，欢迎您余教授！另外一位是华东师范大学的教授姜雪峰，刚才我们要是看这个短片的时候，可能我们对这项科研成果，有了简单的了解，但是我相信电视机前的很多观众跟我一样，对催化剂和手性催化剂这个概念比较陌生，两位能给我们科普一下吗？我们要讲手性催化剂，可能先要告诉大家什么是手性的概念。对。手性，顾名思义，从这个名字里就能看到有一个手。跟我们的手有关系吗？有关系啊。就是我们说手性，其实当我们把分子放在平面上的时候，它只是二维结构，我们可能还不存在手性的问题，当一个结构出现三维的时候，在几何上它就有这个结构能不能够被重叠的这样的过程。我们看左手和右手，看起来它们很像很相似，我们在科学上严谨的话，它只能叫相似，因为我们无法把这两个左手和右手放在一块完全重叠，所以实际上这两只手是完全不一样的。您说这个手性就是跟我们两个手来做比较。嗯。这两个手是可以重合的，我们正常叫重合和双手合十嘛？对，这叫镜面重合，但是你不能够立体重合，立体重合就举例是什么呢？
比方说我们戴两双（只）手套，你会发现你的左手手套永远戴不到右手上，右手的手套也永远戴不到左手上，左手必须戴左手，右手必须戴右手。双手合十叫镜面重合。对。真正的重合，立体重合是这样的？对。所以观众看到就是这样，你怎么多出一个手指。对。所以就不是完全重合的状态了，我们分子也是这样的概念？是的。假如我们说这是两个分子，两个碳所连接的分子构型的时候，当它变成三维立体的时候，它中间如果有个镜子照射的时候，这是一个镜面对称的，但是镜面对称的分子是永远不能重叠的，大家可以看我们把黑色和黑色放在一块，黄色和黄色放在一块，白色和白色放在一块，你会发现红色和蓝色，蓝色和红色是互相交叉的。一定不能够重合的。对，它怎么样也重合不在一起，这就叫手性。其实我们看似很多对称的东西，我们表面看似对称的东西，它其实并不是对称的结构。这叫手性重合。对。手性，单纯是分子的结构，还是自然界的一个特性？它是一个自然（界）广泛存在的现象。其实这是一个非常复杂的问题，所以就说很多的科学家，就是科学没有解决的问题之一。就是手性的来源，生命中手性的来源，比如氨基酸为什么是这种手性？其它的是另外一种手性，但是这事还是科学研究的一个还没有解决的问题。
手性一词来源于希腊语手，是自然界中广泛存在的一种现象。比如我们的左手照镜子时，看到的模样与右手一模一样，但在现实世界中，我们的左手却永远无法与右手完全重合，这种现象就叫手性。具有手性特征的物体就叫手性物体。我们在自然界当中是不是也经常可以看到，跟这些手性对应的一些东西。是的，其实手性是一个在自然界，在生命中广泛存在的现象，我们大到天体，小到我们身边的每一样东西。比如说我们举例天体是什么？我们可以看到我们的星云图，我们的银河系，你仔细观察，你会发现它只朝着一个方向旋转，它的这种旋转只朝一个方向旋转，而不朝另外一个方向旋转的时候，这就产生了手性。花瓣，它会有旋转的状况，我们爬的藤条，你会发现牵牛花，它会朝着一个方向转。如果我们做统计学数据的话，其实所有的海螺，全世界的海螺，右旋跟左旋的比例是2万比 1。这2万: 1的右旋的比例，能说明什么呢？
说明我们自然进化的方向就朝着一个（方向），偏向一个手性。假如说我们这些这个地方有两个手性分子，那么自然界这种生态环境和这种发展的状态。优选其中的一个手性，而让这个手性会变得越来越少，而这个手性变得越来越多，这就是为什么我们的DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸），包括我们的蛋白（质）都有螺旋结构，而我们的螺旋也是朝着一个方向去旋转的。也都是右旋的。对，手性是一个普遍存在的现象，而只是在最初的状态，我们并没有用这样的视角去看待。左旋和右旋，刚开始是化学家定义，是分子的左旋和右旋，就是一个光经过分子再经过一个偏振器，它有的可能向左边旋转，有的可能向右边旋转。然后这个时候就是说向左边旋转的叫左旋分子，向右边旋转叫右旋分子，它是根据分子的手性决定的，这是分子的手性。因为刚才讲到手性的这种多元存在的这种形式，我就举很简单的例子，你看到两个手性的功能不一样，你就明白为什么手性如此之重要。大家可以看到，实际上氨基酸从名字上我们就可以顾名思义，它既有酸又有氨，那么酸就是那个羧基，而氨就是下面的氮氢，那么这两个基团，在同一个碳上连接的时候，它如果一个朝向前，就是左手的氨基酸，一个朝向后，就是右手的氨基酸，就像我们两只手，它（只）是相似，但不能重叠，这就是它的手性特征。对。这两种不同的氨基酸，就会给我们带来不同的生命功能。
手性重合，手性催化剂合在一块又是什么概念呢？假如说，我们说分子既然有手性，我们的世界是由分子组（构）成的，我们去建构，去构架这些分子的时候，如何来实现呢？我们就需要用催化剂，催化剂就好比假如我们看到我们的土是二氧化硅，我们看到我们还有很多的化学的矿产。我们如何让它变成我们的桌布，变成我们穿的衣服，如何变成我们吃的药，变成我们的食品里面需要添加的东西，那么（实现）这些东西的构造都需要一个化学过程，而实现这个化学过程的我们叫钥匙，打开这扇门的钥匙就是催化剂。我们每家里面都有煤气灶，对吧？煤气的主要成分是一氧化碳，然后你点着的时候，它就立即就烧着了，这个反应就是一个化学反应，它是一氧化碳燃烧以后变成二氧化碳，那么这个反应，它是不需要催化剂的，因为它非常快，但是如果你在家里面把你们家的酒精和醋放在一起，它可以形成乙酸乙酯，那么这个反应，它需要很长很长的时间才能进行，所以你观察不到它的化学反应。那么这个时候你需要加催化剂，比如说你加一点浓硫酸，它就会形成乙酸乙酯，这个反应就会比较快，非常快的反应，是不需要催化剂的，那么有些反应就说因为它比较慢，需要催化剂。
我们生活的世界存在着无数化学反应，植物吸收二氧化碳释放氧气，进行光合作用，是一种化学反应。人体的新陈代谢是身体内在不断进行着各种化学反应，这些反应中有一种物质最为重要，那就是催化剂。催化剂可以加快反应速度，是催化反应中必不可少的重要媒介，也是科学家们一直研究的重要课题。平时用来对伤口、环境以及食品等进行消毒的双氧水，会分解成水和氧气，但分解速度极为缓慢，但是在双氧水中加入催化剂二氧化锰，瞬间就产生了反应。经过二氧化锰的催化作用，双氧水分解成了水，并释放出氧气。将催化剂氧化铬粉末加温后，倒入充满氨气的容器中，反应放出的热量会使氧化铬颗粒升温发光，在黑暗中发出如烟花般绚烂的色彩。催化剂的作用如此神奇，手性催化剂又有哪些不一样的用途呢？接下来我们就要了解一下手性催化剂它有什么作用？它的价值是什么呢？我们刚才说了很多药物，它就是因为具有手性的碳原子等等之类的，所以这个时候，比如说我这个药物可能需要这么一个碳分子，而不是这个，刚才说了这两个是不能重叠的。
因为这个时候只有这个分子可能才在你的人体的里面可能起作用，这个就可能不起作用，或者是起一些负作用，比如我们可能把它叫做左旋，打个比方假如是左旋的，如果从下面进攻，可能是右旋的，我的药物可能只需要这一种，所以这个时候我就需要发展一个催化剂。你拿着这个，它就把下面给挡住，这个催化剂把下面挡住，让它无法生成。对，然后它只能从上面进攻，所以这个时候就是可以得到手性的药物分子，你所要的手性分子，所以这就是手性催化剂，主要的原理，就是让我们从你所需要的方向去进攻，形成这根化学键，从而得到我所希望的这个分子，而不是这个分子。刚才您说从上部进攻和下部进攻，等于说我们做这个药，可能我们要上部的，对这个病症是有效的，而下部可能对这个病症恰恰是相反的。所以我们必须要去除它，但是我们看到的这东西很大，很显而易见可以去掉它，但是作为分子来讲，是非常用肉眼难分辨的，这个东西就需要催化剂来帮忙，是这个道理吗？
对，我们刚才说氨基酸有R型氨基酸，有S型氨基酸。比方说我们举一个氨基酸“天冬氨酸”，你会发现天冬氨酸的其中一个手性的天冬氨酸是苦的味道，而（当）它把那个手性翻转成另外一个手性的时候，它就变成甜的味道，就是一个氨基酸只要手性不同了，它会或苦或甜。我们还知道有一个分子叫香芹酮，是一种香料分子，我们叫它香料分子，它其中有一个手性，当这个手性朝上的时候，香芹酮是薄荷味道，它是一个很好的薄荷香气。那么，当它的手性翻转到下面的时候，它就变成了臭蒿味，它从香味翻转到了臭味，所以我们一个手性能够把它变成有的时候甜，有的时候苦，有的时候香，有的时候臭，那么其实在药物里它的作用就更加重要，比方说沙利度胺。沙利度胺这个药物，是（20世纪）50年代在德国上市的一个药物，当时这个药物非常的好，因为它对孕妇的妊娠反应，有很好的抑制作用。因为我们知道女性怀孕了以后，都会有呕吐，有各种妊娠的反应，其实很难受。
那么科学家发现了沙利度胺，他们发现这个沙利度胺了以后，（治疗）妊娠反应就效果特别好。那么大量的德国的药厂，就把这个药广泛普及，然后大家都开始在世界上使用，那么绝大多数的欧洲人一开始使用非常好，但是逐渐地发现，她们生出来的孩子都有一个共同的特性，致畸了，得了畸形儿。这些畸形儿都会有一个特点，就是他们的四肢长不出来，我们叫海豹儿。就像海豹的鱼鳍一样，他的手长不出来，他的脚长不出来，他的四肢变得非常短。后来科学家才明白这里面为什么会有这个原因，因为沙利度胺这个药物，它其中有一个手性分手性中心，就是一个朝上的，一个朝下的，但是我们在（20世纪）50年代的时候，没有考虑分子还有手性这个科学。我们的科学还没有涉及到这个领域。涉及（到了）知道，但是不知道它对人的功能或对疾病的功能和药物的功能有这么关键的作用是什么？对，在那个时候大家发现赶快停了这个药，后来才知道，其实沙利度胺里面只有一个手性，能够起到抑制妊娠的作用，而另外一个手性，实际上就是致畸的手性。
当年已经被封存的药，市场上不准再生产的这种药，今天我们有了手性催化剂，就可以把它变废为宝了。不只是变废宝，其实沙利度胺这个结构是现在好几个著名药物的核心结构。沙利度胺，这是一个商品名。我再给大家展开一点讲，其实大家就能明白，其实沙利度胺就是谷氨酸的一个延伸物。那什么是谷氨酸呢？我再讲就是常见的氨基酸有19种、20种，谷氨酸钠就是味精，我们吃得味精就是谷氨酸。谷氨酸的延伸物就能延伸出沙利度胺，其实围绕谷氨酸的延伸物沙利度胺，我们研发出非常多的药，其实我们后期发现沙利度胺这里面延伸出来的雷那度胺，是具有非常好的抑制骨髓瘤的这种作用。那么它可以治疗血癌，而且是2016年全世界（疗效）排名第一的小分子药物，所以当大家研究清楚了，沙利度胺的这种手性的问题和手性的构建，以及手性对人体的健康这种大分子的作用关系以后，实际上这个药物的发展就会进入到更好的状态，这也就是为什么我们觉得周老师团队发展出手性螺环的催化剂，获得我们今年（2019年）的自然科学（奖）一等奖是当之无愧的。
有了这个手性催化剂，我们可以想要什么，就要我们想要的东西。对，是这个道理。但是我们可能知道，其实在生活当中，如果我们想做香水的时候，我们一定只希望产生香的东西，而不希望臭的东西，那这个时候我们就一定希望我们合成的这个分子没有另外一个分子，而只有其中一个分子，这个时候手性催化剂在这里面至关重要。这就是它的价值。对，比方说我们去合成一个分子的时候，我们如果没有手性催化剂，一定是合成的两个分子出来，也就是说一个左手的它是50%，一个右手的也是50%。那么我们要想得到这个香味的分子的时候，我们就一定要把另外一部分分离出去，那么分离就会花能量，也会花很大的这种功夫，然后同时其实也浪费了这批原料。而手性催化剂让我们在建立这个分子的时候，就从来不产生右手的，而只产生左手的，那么我们就可以百分之百地得到我们要的香味的东西。物尽其用。对。还节约了成本。对，这在我们科学上讲叫原子利用率。它的原子利用率达到了百分之百，它非常高效，成本会更加得低，原子经济性会非常得高，那么同时也获得了我们人类最需要的东西。
手性催化剂的发明，帮助研究人员从天然产物中提取有效物质或合成新的原料，目前临床上常用的1800多种药物中，有56%以上是手性药物，如治疗高血压的左旋氨氯地平，消炎退热的右旋布洛芬，抗菌消炎的左氧氟沙星等等。科研人员通过手性催化剂的作用，将药物没有药理作用或有毒副作用的另一半手性化合物去除，生产出来的药物不仅服用量少，而且安全高效。我们特别想知道手性催化剂，为什么人们把它叫做是“万能”催化剂，它真的那么“万能”吗？因为我们的反应有很多不同的反应，而我们所要的功能分子，比如说药物分子，这个分子它的结构是非常复杂的，所以它需要的反应，可能有200到300个反应，才能不同的反应才能做到，所以这个时候我们每一个反应，可能会（需）要一个催化剂。实际上世界上很多的课题组，就是国际顶尖的大学很多做不对称（分子研究）的老师，也用到周其林老师课题组所发展的螺环催化剂，做非常多的反应，所以说他这个反应（催化剂）可以用上“万能”两个字。
我们可以看到世界上各个地方的科学家，在做手性的构建过程中，必不可少地会选择周氏配体、螺环配体去尝试一下。因为他们已经默认在配体领域里面，螺环是大家第一需要考虑的一个环系结构。实际上，在我们化学里面有一种结构叫螺环，也就是说两个环共用一个碳的时候，那么它就好像从一个大的空间，收紧到一个小的空间，那么这样的环，我们起名叫螺环。那么周老师的配体，实际上其中有一次（项）的科学贡献，是打破世界纪录的。在酮的还原到手性醇的这样的一个过程中，它在全世界上应该是排名第一的这种催化循环，它达到了450万次的这种催化效率。而世界的原有记录，别的科学家是多少呢？只能达到240万，从酮还原到醇，这个在工业生产上，在我们的精细化学品、医药、农药，还有香精、香料，是（有）非常广泛的这种需求。所以周老师的这个催化剂，以及这个系列的配体，也被很多的药厂广泛应用。
通常一种催化剂只作用于一类或几类化学反应，催化剂的使用量很高，而周其林院士发明的手性螺环催化剂，给出了高达450万的转化数。一个手性催化剂分子可以诱导产生成千上万甚至上百万个产物分子，可以大幅降低药物的生产成本，被称为最高效的分子催化剂。手性催化剂到底适应哪些行业范围，它未来的前景给我们带来的将会是什么？周老师这个配体，在整个的医药小分子药物的这种创新的过程中扮演非常重要的角色。那么实际上我们知道，南开（大学）除了医药以外，我们在农药领域就是杀虫剂、除草剂，那么包括精细化学品，香精、香料，甚至我们现在有着很多的材料。在这个工厂里面，我们就看到有一种，比如说他想形成某一个化合物，它可能就需要非常多的其它的化学品来合成它，这时候它的这个成本非常高，同时它有很多的三废，这个时候我们就提出来，有没有可能用一些氢化。比如说这个反应直接用氢气，然后加上一些催化剂做呢，有了刚才说的周其林老师，还有包括国内一些其他的老师这些配体以后，那么科学家就可能有机会来解决这个问题，从而可以使药物生产的成本下降，从而对环境的污染减少，其它的材料包括这个农药等等，香料等等的合成，实际上都会用到手性技术。
随着手性催化剂的发现及应用，手性药物的数量也在逐年增加。按照传统工艺，每生产1千千克药物，至少产生10万千克废弃物。如果使用手性催化剂，采用手性合成新工艺，不但能够大量减少废弃物的产生，还能够节约资源，保护环境。其实我是觉得手性包括周老师的手性，包括以周老师为带领的所有中国手性科学家所建立的这些手性环境，一定会在未来，为我们人类解释我们的生命现象，找到我们的生命起源，以及在未来的材料科学里面，宇宙、航天、空间，那么给我们带来完全三维不同的这种视角，去看待我们曾经看到的世界。我们可以想象，今天的那些绝症，我们治疗不了的病症，通过这些手性分离的这种方式，都有可能被我们医学界所突破。可以说在手性这个领域里面，我们相当自豪地可以面向全世界说，我们走在全世界的前列。其实做化学，我们常说我们就是分子工程师。嗯，我们工程师。我们来给分子进（行）开刀、组装、切割，重新装配，我们虽然放到这看起来很大，但实际上它非常非常的小。肉眼是看不到的。对，那么我们就必须要非常精细地去设计另外的分子和另外的催化剂，来帮助实现对这个分子的切割、组装和配建，那么我们生命当中不管是药物、材料，还是香精、香料，还是不同的这种精细化学品，它扮演着在我们生活中无处不在的多种多样的功能，让我们的人类生活变得非常的方便，然后非常的先进。那么这些东西我们都必须从每一个小小的分子去构建，而手性就是分子从平面结构走向立体三维结构，就像我们说我们看待事物原来是二维的，我们现在已经走向了三维的状态。
手性催化剂就是这样一个开关，让我们看见了三维的世界，而我们现在已经学会构建它。当这些三维的分子一个一个连接起来，那么为什么就会像我们生命现象一样，出现肽链，出现蛋白，出现聚糖，出现解释我们生命的问题，解释我们健康的问题，获得我们在科幻电影里看到的特殊的材料。那么我觉得这些东西对我们来说都非常期待，这也是中国的科学家、化学家前仆后继在努力前进的方向。这样的技术有它的现存的瓶颈在吗？因为不同的反应，它的环境不一样，比如说我今天做A反应，可以用周老师的螺环配体，可以解决问题。明天做B反应，也许我可以用上海有机所丁奎岭老师的，这个配体可以解决问题。但是如果你做C反应的时候，也许这些配体可能都不行，所以这个时候就需要科学家来发展一些新的配体，也许把周老师的配体，再怎么样进行改进，或者是更多的创新，从而能够实现C反应，甚至更多反应，从而能解决更多的药物，还有这些材料等等的合成问题。
大概两三周前，在我们科学界一个非常重要的杂志叫Science（科学），《科学》这本杂志上周老师团队刚刚发表了一篇工作（报告），就是用不同的配体做协同催化，他用一个铜催化剂，一个金属催化剂，再加一个手性硫脲催化剂，让（将）这两种催化剂放到一块，一起像接力棒一样传递的去解决一个问题，然后把很长时间我们在科学界无法解决的脂肪氨插入到卡宾，这样的一个过程实现了。那么，就让这种手性氨的建立又打开了一片天，所以当这份工作出来了以后，引起了整个世界，包括整个科学界的一个小的轰动。我觉得这就说明其实周老师他们，不仅仅在建立螺环配体这样一个概念，他们用螺环配体延伸到不同的催化剂的这种思考，然后做协同的创新，这也是我们现在年轻人特别想学习的一个过程。实际上这一项科研成果，已经给我们的世界带来了很大的惊喜，但是科研成果的发起者，并没有停止自己的脚步，也意味着他未来的惊喜，将会可能不断地给我们带来。是，我们也非常期待。实际每一个科技工作者，他们不断努力的正像我们两位嘉宾所说到的，并不是为了获奖，而真的是让人类更多地认知这个世界，这才是人类不断进步的关键点。好，在这里我们感谢两位专家，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春，咱们下期节目再见。
