未來科學(xué)大獎(jiǎng)十周年慶典

2025年7月8日-9日，未來科學(xué)大獎(jiǎng)十周年慶典在上海世界會(huì)客廳隆重舉行。7月8日的科學(xué)峰會(huì)匯聚了全球頂級(jí)科學(xué)家，圍繞生命科學(xué)、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)前沿領(lǐng)域，展開了多場深度學(xué)術(shù)報(bào)告與跨界對(duì)話。

四川大學(xué)教授、2018未來科學(xué)大獎(jiǎng)-物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)?、未來科學(xué)大獎(jiǎng)十周年慶典Program Committee委員馮小明參與 科學(xué)峰會(huì) “化學(xué)專場研討會(huì) - 化學(xué)助力美好生活”對(duì)話環(huán)節(jié)。

下文系未來科學(xué)大獎(jiǎng)十周年慶典期間，光明網(wǎng)采訪馮小明院士的內(nèi)容，記者宋雅娟、蔡琳采訪整理。

文源：光明網(wǎng)—科普中國

不對(duì)稱催化，這是一個(gè)聽起來有點(diǎn)陌生，但其實(shí)和我們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。很多人中學(xué)時(shí)學(xué)過“催化”，知道它能加快化學(xué)反應(yīng)，但“不對(duì)稱催化”到底是什么？它為什么能得諾貝爾獎(jiǎng)？又怎么影響我們的用藥安全和生活成本？咱們就從最基礎(chǔ)的講起。

分子也有“左右手”：什么是手性？

先問大家一個(gè)問題：你的左手和右手一樣嗎？看起來好像沒區(qū)別，但你試試把左手套進(jìn)右手手套——肯定不合適。這就是“鏡面對(duì)稱”，像照鏡子時(shí)的你和鏡中人，看著一樣，卻永遠(yuǎn)不能完全重合。

化學(xué)里也有這樣的“左右手”。很多化合物的碳原子上連了4個(gè)不同的基團(tuán)，這些基團(tuán)的排列方式會(huì)形成兩種構(gòu)型，我們叫它們R構(gòu)型和S構(gòu)型。就像左手右手，它們是鏡像關(guān)系，卻不能完全重疊，這就是“手性”。

這種看似微小的差別，在生命體中卻有著天壤之別。構(gòu)成生命體的20種氨基酸里，19種都是單一的L構(gòu)型；DNA、蛋白質(zhì)等生命分子也對(duì)“手性”有著嚴(yán)格的“偏好”，就像左旋螺絲釘只能搭配左旋螺帽。如果藥物分子的“手性”不對(duì)，不僅可能無效，甚至?xí)：】怠?/p>

20世紀(jì)60年代的“反應(yīng)停事件”至今令人痛心：沙利度胺本是用來給孕婦止吐的，但其S構(gòu)型有強(qiáng)致畸性，R構(gòu)型才有效。由于當(dāng)時(shí)未能分離這兩種構(gòu)型，藥物以“左右手混合”的形式上市，最終造成上萬名“海豹肢”嬰兒出生。這就是為什么藥物合成時(shí)必須控制手性——差之毫厘，可能就是“治病”和“致病”的區(qū)別。

不對(duì)稱催化：給分子反應(yīng)裝個(gè)“導(dǎo)航儀”

普通催化就像給反應(yīng)“踩油門”，只負(fù)責(zé)加快反應(yīng)速度；而不對(duì)稱催化則多了個(gè)“方向盤”——它使用手性催化劑，在加速反應(yīng)的同時(shí)，精準(zhǔn)控制分子構(gòu)建時(shí)的立體結(jié)構(gòu)，讓產(chǎn)物只生成我們需要的那種“手性構(gòu)型”。

以治療帕金森病的藥物L(fēng)-多巴為例，通過不對(duì)稱催化氫化反應(yīng)，能得到單一手性的有效成分；如果不用手性催化劑，得到的會(huì)是“外消旋體”——既有R構(gòu)型又有S構(gòu)型，就像左手和右手混在一起，藥效大打折扣。這種“精準(zhǔn)控型”的能力，正是不對(duì)稱催化的核心價(jià)值。

手性催化劑如何實(shí)現(xiàn)這種精準(zhǔn)控制？它就像為反應(yīng)量身打造了一個(gè)“專屬通道”。我常給學(xué)生打比方：就像鱔魚在田里打洞，洞的彎曲弧度完全適配它的體形。手性催化劑會(huì)構(gòu)建一個(gè)特殊的手性環(huán)境，只有匹配的分子才能進(jìn)入，反應(yīng)也只能按特定方向進(jìn)行。

更形象地說，這就像鎖與鑰匙的關(guān)系：手性催化劑是“鎖孔”，反應(yīng)原料是“鑰匙”，只有形狀完全匹配，才能生成特定構(gòu)型的產(chǎn)物。2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)關(guān)注的脯氨酸催化劑，以及我國周其林院士研發(fā)的螺環(huán)催化劑，都是靠這種“鎖鑰匹配”機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。

現(xiàn)在，我們發(fā)展的催化劑已經(jīng)用到新藥研發(fā)中。比如對(duì)抗瘧藥青蒿素產(chǎn)生抗藥性的問題，我們的手性催化劑能高效合成候選新藥NITD609，三步反應(yīng)就能實(shí)現(xiàn)41%的總收率，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)拆分法的2%。

從實(shí)驗(yàn)室到生活：催化劑如何讓好藥更便宜

高效的手性催化劑，能直接降低制藥成本。比如他汀類降血脂藥，早年一公斤售價(jià)高達(dá)幾千美元，如今因催化技術(shù)的突破，價(jià)格已降至幾百人民幣。這背后的邏輯很簡單：催化劑效率越高，原料轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物的比例就越高。

假設(shè)投入100公斤原料，低效催化劑可能只能得到50公斤有效產(chǎn)品，剩下的50公斤成了廢物，還要花錢處理；而高效手性催化劑能讓95公斤原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，既減少浪費(fèi)，又降低了廢物處理成本。就像手藝精湛的廚師，用同樣的食材能做出更多美味，還不浪費(fèi)一滴油。

我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的催化劑，曾將一款抗瘧候選藥NITD609的合成收率從2%提升到41%，僅用三步反應(yīng)就完成了傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。這類技術(shù)突破，讓更多好藥能從實(shí)驗(yàn)室快速走進(jìn)尋常百姓家。

未來，不對(duì)稱催化的終極目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)“三個(gè)100%”：100%的產(chǎn)率、100%的立體選擇性、100%的原子利用率。這意味著，原料中的每個(gè)原子都能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，不產(chǎn)生一點(diǎn)廢物，既環(huán)保又高效。

催化技術(shù)早已融入我們的生活，從汽油、柴油到救命藥，都離不開它。而不對(duì)稱催化，正是用化學(xué)的精準(zhǔn)，守護(hù)生命的精密。未來，我們會(huì)繼續(xù)追求“完美催化劑”，讓更多藥物更安全、更便宜，讓化學(xué)技術(shù)真正服務(wù)于生命健康。

來源：未來科學(xué)發(fā)展中心