2020年1月10日上午，在北京人民大会堂隆重举行了2019年度国家科学技术奖励大会。中国科学院院士、南开大学化学学院教授周其林及其团队凭借“高效手性螺环催化剂的发现”获得了2019年度国家自然科学奖一等奖。国家自然科学奖一等奖是中国自然科学领域的最高奖，通常被视为“科学性最强，原创价值最高”，获得此项殊荣是国家对从事基础研究的科学家们科研工作的最大褒奖。20年辛苦耕耘，周其林和团队发现了一类全新的手性螺环配体骨架结构，并在此基础上发展了一系列选择性好、转化效率高、适应性强的手性螺环催化剂，将手性分子的合成效率提高到一个新高度。这项成果不仅引领了全球手性催化的研究，而且在制药等领域得到广泛应用，被国际同行称为“周氏催化剂”。

一、探索“手性螺环催化剂”的奥秘

“手性”这个词尽管听起来陌生，然而却是自然界的常见现象。大到宇宙星云，小到蜗牛、牵牛花，甚至分子、原子等微观粒子，自然界的很多物质都是单一手性的，要么都“向左”，要么都“向右”。比如，蜗牛的壳、牵牛花的藤，都是右手螺旋；天然氨基酸分子都是左手性的，糖分子都是右手性的。周其林说：“手性是一种比喻。就像我们的左手和右手，看起来一样，实际上不一样，它们互成镜像，但相互不能重叠。不管微观还是宏观，如果一个物体与其镜像不能重叠，我们就说它是‘手性的’。”

手性分子是有机分子中的一大类，尤其在药物中占比更高。目前市售药物中超过一半都是手性分子，在新药研究领域，在研制的1200种新药中有820种是手性药，占比近7成。左右手分子的区别看似微小，但常常会带来香与臭、甜与苦等截然相反的特性。咖啡和冷饮里常用的“健康糖”是由两个氨基酸组成的二肽分子，是一种几乎无热量、无脂肪、不含蔗糖的甜味剂，不但口感好，甜度高，而且不会使人发胖。如果将其中的一个氨基酸换成相反手性，就会变成苦的。

对手性的认识不足，有可能造成灾难性的后果。周其林举了一个例子，20世纪50年代末，德国格兰泰制药公司开发了一种减缓女性妊娠反应的药物“反应停”。“反应停”是手性分子，它的右手分子具有镇静效果，而左手分子却有致畸形的副作用。由于当时不知道左手分子和右手分子的生理性质差异，故而造成悲剧——用左手分子和右手分子混合物的“反应停”投入使用后不久便在全世界广泛应用，有效阻止了女性怀孕早期的呕吐，但也妨碍了孕妇对胎儿的血液供应，导致不少新生儿先天四肢残缺。

用传统方法来合成手性化合物，总是会得到两种手性分子的混合物，需要再通过复杂的手性拆分（把左右手分子分开）方法，才能得到单一手性分子。这样做的缺点显而易见：成本高，浪费大。周其林说：“如果全部采用手性合成新工艺、直接生产出单一手性分子的药物，不但可以节约资源，还能大量减少环境污染。”如何才能合成单一手性的化合物？周其林将目光转向了催化剂。

“不对称催化是目前合成手性化合物最有效的方法。”周其林介绍，在化学反应中，催化剂就像分子机器，用原料（反应物）造出产品（生成物）。普通催化剂没有手性识别功能，会生成两种手性的混合物。而手性催化剂能识别手性，让反应只向一个路径发生，只生成特定手性的分子。

“最好的催化剂要符合四个标准。”周其林说，“第一，具有好的选择性；第二，效率要高；第三，普适性要好、应用范围要广；第四，可修饰性要强，就是能以此创造出新的催化剂。一般而言，只要满足选择性好、合成效率高的手性催化剂，就是理想的催化剂，你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，而且效率很高、没有副反应。”

经过20年的研究，周其林及其团队发现了一类全新的手性螺环配体骨架，并在此基础上发展了一系列选择性好、效率高、适应性强的手性螺环催化剂。这些手性螺环催化剂具有广谱性，在许多不对称催化反应中，都表现出优于其他手性催化剂的催化活性和对映选择性。手性螺环催化剂的发现和应用，将手性分子的合成效率提高到一个新高度。这些催化剂被国内外同行称为“周氏催化剂”，如今已成为合成化学中一个不可或缺的工具，不仅被用于200多种不对称合成反应，还被制药公司用于多种手性药物的生产。

二、“催化”大师漫长的科研之旅

1978年，21岁的周其林结束了整天与庄稼打交道的“知青”生涯，以物理91分、化学89分的好成绩考入兰州大学化学系。周其林万分珍惜这个来之不易的学习机会，抓紧一切时间学习。大学毕业时，周其林就明确了自己未来的人生方向——从事有机化学的基础研究。

1987年从中科院上海有机化学研究所获得博士学位后，他先后在华东理工大学、德国、瑞士和美国从事博士后研究，1996年回到华东理工大学任教。1999年，周其林被教育部聘为第一批“长江学者”特聘教授，转入南开大学化学学院工作，带领自己的团队开始了手性螺环催化剂研究的漫长之旅。

从1999年到现在，周其林每天很早就到办公室，下班后先吃点饼干充饥，然后继续工作，直到晚上八九点才回家吃饭。这20年来，他的周六都是在跟学生讨论工作，上午讨论实验，下午开小组会。即使到某个地方出差，周六回来的话，周其林也会带着行李箱先赶到实验室参加组会。“我现在回家没有那么晚了。”周其林说，“我刚回国的时候40多岁，直到50岁以前，一般是9点钟回家；到了50岁以后，8点钟回去；现在过60了，逐渐改到7点回家了。”

“国际上研发出的手性催化剂很多，但真正有效且被广泛采用的并不多。在科学领域，绝大部分研究是失败的，成功的总是少数。做科研的人都会遇到各种困难，我认为克服这些困难，主要靠坚持。”谈及最初几年的实验失利，周其林坦然说到，“有些人没能坚持，中途放弃或者换了研究方向，但我们坚持了下来。”

对沉迷于基础研究的周其林来说，“有什么用”固然重要，“能解决什么科学问题”更重要。“好发论文”不是目标，“发好论文”才是方向。一直到2002年，周其林和团队才终于做出了初步成果，发表了第一篇关于手性螺环催化剂的论文。

经过多年坚持不懈的努力，最初的目标一点点变成现实：在手性螺环配体骨架上，已经设计合成了100多种手性螺环催化剂。手性螺环催化剂被国际上40多个小组跟进研究，目前已被应用于200多种不对称合成反应。周其林团队在2011年合成了一种新型的手性螺环铱催化剂，一个催化剂分子可以将455万个原料分子转化成目标分子，这一催化效率的世界记录保持至今。在那之前，文献报道的最高活性手性催化剂的转化数为240万。

周其林最初选择研究手性是出于好奇。“手性有很多神奇的地方，它是合成化学选择性里最难的一种，因为看上去左手分子和右手分子一模一样，怎么就能区别出来呢？”在探索未知的领域里，他满足了好奇心，同时也收获了很大的快乐。“天天探讨未知，这样的研究工作是一种享受，20年下来，我觉得非常愉快。”周其林最想对科技工作者说的话就是：“找到你真正喜欢的方向，然后坚持下去。”

三、最好的科研成果是培养人才

除了做科研，教学也是周其林的重要工作。这里所说的教学，并非局限于给学生们上课。周其林常常思考一个问题，也不止一次与年轻教师探讨，那就是在高校做基础研究的最大意义是什么？他的答案是：在高校里面做科研最重要的目的就是教育和培养学生，特别是培养研究生。“我们最好的科研成果其实是培养了很多人才，他们有的留在高校做科研，有的进入企业成为骨干，这就是我们教育最大的收获。”也正是凭借严谨、勤奋、专注、努力的学风建设，周其林团队才取得了今天的成绩。

在周其林的办公室，放在柜子里的一排排档案格外显眼，里面装满了研究生的实验记录，从学生姓名到记录册数，全都一清二楚。“保存学生的实验记录，一是方便别人借阅、参考；二是以备有疑问时查阅、核对。”周其林说，“做科研来不得丝毫马虎，一定要严谨细致、经得起时间的检验。”

周其林不仅创造了很好的环境，引导学生思考，还根据每个人的特点，给予他们很大的发挥空间，鼓励学生展现各自的特色。对于自己带的博士生，周其林非常有耐心，一遍遍批改学生的博士论文，最后全篇文章批注、修改的都是红色。周其林的治学态度感染了学生们，他们在做实验找数据时也非常严谨。

周其林很少有着急的时候，从来没有因为实验进展缓慢批评过学生。1999年，周其林刚受聘为“长江学者”，又初到南开大学工作，在备受瞩目的同时也面临巨大的科研压力。在以论文论英雄的大环境下，那几年周其林的课题组几乎没有发什么文章，周其林的学生们当时都感觉压力山大。

为了让学生们集中精力做研究，周其林尽可能地提高他们的生活津贴，而不用在外面做兼职。为创造良好的科研环境，周其林率先对实验室进行改造，把原来用木头做的操作台换成了铝合金的，看上去明亮洁净。他从来没有把学生当做廉价劳动力、催促学生们快出数据、早发论文，而是让他们“遵循规则，练好手艺”。他很少给出结论性的东西，而是引导学生们独立思考、提出自己的想法。“做学问第一重要的是独立思考。”他常常提醒学生：做研究就是要发现别人没有发现的东西。如果你没有独立的思想、独立的思考，不去质疑那些所谓的原理、定理，是做不出新东西来的。

在获得国家自然科学奖一等奖后，人们好奇周其林接下来还会选择什么作为研究方向？周其林说，“手性螺环肯定还有发展，但已经不是我目前最主要的研究方向了。对于高效手性螺环催化剂而言，我们已经完成从0到1的突破，今后应该交给应用领域的科学家，把它广泛应用于药物、农业、香精香料等行业。我们团队未来的研究重心将转向新的方向，例如生物质转化、生物活性天然产物合成和丰产金属催化反应等领域，依然是基础科学研究，希望为科学、为国家可持续发展做一些贡献。”

周其林把目光转向了新的“周氏催化剂”，希望能用二氧化碳和生物质替代现有化石原料来做有机合成。“支撑我们现代生活的很多产品，都是从化石资源生产的。化石资源终将耗竭，这在能源上还不是大问题，毕竟有各种清洁能源，配合新型的储能技术，可以替代汽油、天然气等产品；但从石油等化石资源生产的塑料、合成纤维、化肥、化学建材等，将来石油用完了，拿什么来生产它们？能不能用二氧化碳和生物质原料做替代原料？”周其林说，“这个研究才刚刚开始，是为几十年甚至一百年以后做准备。”

科学是人类探索自然同时又变革自身的伟大事业，科学家是科学知识和科学精神的重要承载者。在取得了瞩目的成就后，周其林没有沉醉于往日的辉煌，而是继续弘扬科学报国的优良传统，追求真理、勇攀高峰，在科学前沿孜孜求索，在重大科技领域寻求突破，把个人理想融入国家发展的伟业中。

（本文选材于新华社、经济日报、科技日报、
中国青年报等媒体的报道）