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丁奎岭:合成创造价值 分子改变世界

日期:2017/8/23 阅读 ( 1169 )【 来源 : 新民周刊 】
阅读提示:未来的化学,就是怎样创造出好的化学、绿色的化学是非常重要的。既要让它为人类社会服务,也要尽量避免对社会负面的影响。这些是我们要追求的理念。
撰稿|姜亦然 要 英 姚 虹
 
      他是那样的朝气蓬勃,丁奎岭,上海有机化学研究所所长,2013年当选中国科学院院士时年仅47岁。自独立工作以来,在国内外学术刊物发表论文150多篇,所发展的配体、催化剂和方法被国内外同行广泛应用于研究工作;主编国内外专著3部,并担任《有机化学》主编;获得授权发明专利20多项,多个催化技术被成功应用于工业生产。他还担任科技部973项目首席科学家及中科院战略性先导科技专项、国家重大新药创制专项课题和基金委重点项目负责人。
  近年,他在探索有机金属催化的不对称反应、绿色化学研究和发展清洁的有机合成方法。《新民周刊》利用一个午餐时间,对这位经常废寝忘食的科学家进行了采访。
  
小分子改变大世界
  
  《新民周刊》:丁院士您好,我们想知道挂在墙上的这幅图是什么,和您的研究有何关联?
  丁奎岭:背面还有一张,这些都是生物大分子的药物,全部都是抗体的药物。它们的分子结构没有一个化学式,它都是蛋白或核酸生物大分子。背面是有机小分子,但这种生物大分子它跟有机化学也有关系。最早在我们国家历史上人工合成结晶牛胰岛素,实际上做的这个结晶牛胰岛素是一个生物大分子、一个蛋白。当时是用人工化学的方法做出来的,由上海有机所、北京大学化学系和上海生化细胞所三家合作完成。当年是我国非常引以自豪的伟大科学成果,是跟诺贝尔奖擦肩而过的重大成果。
  背面是有机小分子,就像获得诺奖的青蒿素,它是从植物里提取出来的一个分子,当时发现这个分子有活性,后来在这个结构基础上再去改造,最后成了蒿甲醚、蒿乙醚、琥珀酸酯,成了真正的治疗疟疾的药物。青蒿素本身成药性比较差,因为它的毒性问题,后来改造了以后就成为对人类的一个巨大贡献。特别是在非洲,疟疾依然是威胁着人类健康的疾病,所以世界卫生组织就把青蒿素作为用药,之前的药物像氯喹啊那些药物时间长了抗药性越来越强。现在把青蒿素和前面的药物配合起来,比单独使用效果更好。
  当年青蒿素上海有机所这边也是参与科研的,当时从青蒿这一锅汤里发现它有效果,但是这锅汤里啥东西都有,到底什么样的成分真正有效?屠呦呦团队就把这个物质提取出来,是个白色粉末,但却不知道它的分子在三维空间上是个什么结构,科学家花了很大的力气。后来上海有机所请老院士周维善先生和他的团队帮忙,发现那个分子里面有个过氧的氧桥,那是关键的核心。后来用X射线衍射,就像透视一样,把它的结构确定出来。确定出来以后才能在这个基础上进行改造,做成人类能够使用的药。
  所以屠呦呦最大的贡献就是当年发现这锅汤有效果,然后把这个有效成分提取出来,她本身是做中医中药的,后来全国化学科研力量帮忙协作,最终做成了,成为改变世界的分子。许多大的事件都是从非常小的方面着手,最终影响世界。这种例子在化学界太多了。
  《新民周刊》:为什么您当初在大学毕业后选择从事科研工作?
  丁奎岭:最主要是兴趣。我那时大学毕业学习成绩优秀,要留在省会城市工作是完全没有问题的。当时大学里的老师知识很渊博,我的目标便是要像老师一样成为一个有学问的人。念了两年硕士研究生以后,又赶上有直升博士的机会,于是就去念了南京大学的博士。实际上1998年到中国科学院上海有机化学研究所之前,我在大学教了八年书。当然这八年期间有两年出国去念博士后,觉得自己在科学研究这方面除了教书以外,还有很多兴趣,想做的事情在那里没办法做,所以就到了科学院这样更加好一点的平台来发展。
  而在科学研究中,对科学的认知有更深的理解,对社会也有些贡献——成果转移出去,它们创造了价值,还解决了就业。当然,如今人们生活条件其实也算不错,如果回过头看20年前,上海的变化简直是翻天覆地,现在的上海和国外去比,也没有太大的差距。但是未来我们国家想要引领全球的发展,我们还得为这个世界创造全新的东西。我们今天用的所有这些东西,特别是很多先进的东西,最早并不是我们自己创造的,我们现在培养做科学研究也好,培养学生也好,若是想要引领未来,引领世界发展,一定得创造出来一些东西,属于我们自己的,然后让外国人向我们学习。实际上中国的发展已经到了这样一个转折点,不仅仅是国外有的东西把它做好,未来肯定还会有引领性的东西。
 
化学的重要性
  
  《新民周刊》:虽然如今化学已经发展到一定阶段,但前些年频繁出现的化工厂爆炸、不合格的添加剂,让大多数人对化学留下了糟糕的印象,您怎么看?
  丁奎岭:这也是我经常去做一些科普的原因,因为我们整个国家的人的文化素质还没有达到那个程度;我们的法律体制还没有完善到那个程度;人的自觉性也没有达到那个程度;我们的监管体系也没有达到一个非常到位的情况。我们有法律,但是也有不法的商人和企业,他们明知违法却还要为之,就偷偷地干,等到产生问题了,最后监管的人才出现。然而,发达国家已经跨越了这个阶段。
  我想化学是任何人无法离开的,现代生活的衣食住行都与其有关。因为我们生活在一个物质世界里,所有物质的东西都是化学的东西,化学就是研究这些物质。如手机有多少化学的东西?包括这个屏幕显示、液晶的材料,都是化学。所以未来的化学,就是怎样创造出好的化学、绿色的化学是非常重要的。既要让它为人类社会服务,也要尽量避免对社会负面的影响。这些是我们要追求的理念。
  今天想要吃有机蔬菜,因为大家很抵抗化肥之类的东西。但是我记得小时候在农村,小麦一年产量100多斤一亩地,风调雨顺,200斤不到。现在随便一种就是1000多斤,为什么?除了种子的改良,就是因为化学创造的合成氨,就是化肥;没有化肥真的没法达到这种效果。新中国成立的时候,中国大概5亿人不到,现在13亿;中国就那么点土地、一年还要长两季,累啊!如果来了大批虫害,没有农药去解决这个问题也不行。所以把农药化肥排斥掉是不可能的。人类现在有70多亿人口,每十年多一点又要增加十亿,人口增多随之而来的就是饥饿。从这个角度看,可以说化学拯救了人类。当然今天有更高的要求,要食品安全、要环境清洁,化学自然不可滥用、化肥不能无限制地用,农药也是一样。
  《新民周刊》:您认为化学能够创造财富、创造价值,这方面有很多案例吧?
  丁奎岭:我们经常说“合成创造价值,分子影响改变世界”。做化学需要创造,通过合成去创造。原来世界上没有的东西,把它做出来,并且这个被创造出来的东西很可能影响甚至改变世界。大家现在想着“要做个大飞机”像C919,一架飞机可以有上亿的价值,又或者是想着“要做航天”,这个影响多大啊。
  其实,小小的分子世界同样具备这样的价值,比如两年前一个治疗丙肝的药物在美国诞生,它的治愈率可以到达95%,对人类来说丙肝问题就基本解决了。这种药物一年销售将近200亿美元,一个小小的分子产品,销售额相当于多少架飞机啊。这就是化学的价值,分子的魅力。如果没有100多年前液晶的发现,现在生活中的液晶又从哪儿来呢?这就是材料科学的发展对人类生活、生产方式的改变。比如通信光纤,像未来的量子通信,最终还需物质或者其他什么东西把它实现了。
  人类无法离开物质而生存,无法离开物质去谈改善生活水平,物质本身就是我们化学家研究的对象,不可分离。当然,化学也不断地和生命科学结合,去关注人类身体健康;去和材料科学结合,去关注如何改变世界。
  
中国“手性领域”领先世界
  
  《新民周刊》:您研究的主要领域是什么?
  丁奎岭:我研究的是手性催化和绿色化学。啥叫手性?就像我们的左手和右手,看上去是一样的,假如说这个手放在镜子前,你在镜子里看到的其实是另外一只手,它们是互相对应的。但是你怎么去摆放它,三维上它不是重叠的,它们本质上是不一样的,左手就是左手,右手就是右手。植物也是一样,它往上生长的时候,几乎所有植物都是往一个方向长的,海螺也是螺旋结构的,也是一个方向,这是从宏观来看。在微观视角中,分子世界里也有具备这种性质的分子。你从表面上看,它的元素、组成、平面结构都一样,但是把它摆到三维里就不一样了。比如人体的氨基酸是一种手,体内的各种糖是另外一只手,那么由氨基酸和糖组成的生物大分子,它要么是左手要么是右手。
  外来的药物要和人体的生物大分子作用才能产生功能、起作用。我们的人体就像一个手套,外来的药物吃下去后,这个手套要识别,你左手的手套却插进一个右手是不行的。手和手套要匹配起来,就是为什么要注意手性;手性在药物分子里,有左手右手的这种关系。
  在20世纪五六十年代的欧洲曾经发生过悲剧,那个时候对手性的精准认知没有达到一定程度。孕妇怀孕以后往往产生妊娠反应,所以有个叫“反应停”的药物,吃了这个药确实可以镇定,但是孕妇吃了这个药便产生了数以万计的海豹婴儿。这个药相当于两只“手”都吃进去了,但是其中一只“手”会使婴儿致畸。从那以后就开始重视手性,制药的关注哪种药有用,就做哪一只“手”的药物,当然做这个药需要有技术,所以手性催化是最先进的技术。
  用催化的办法,控制我想要往哪一只“手”的方向走,就往哪里走。2001年那三位获得诺贝尔奖的科学家就是因为发明了这样的催化剂,可以使得化学的转化能够朝着你期待的方向走。这样自然而然对健康、对医药工业是带来革命性突破的。另外手性本身还有一个方面的应用——手性材料。过去液晶材料的应用,液晶电视它拖尾很厉害,响应慢;现在你基本上看不出来,播放快速的动作它拖尾几乎没有了。那就是材料的变化,它里面运用了手性材料,使其响应加快,看上去就更加真实、流畅。
  手性与我们生命的起源也有关系,为什么我们生活的这个世界里海螺都是一个方向生长,甚至宇宙银河中的运作也是一个方向?氨基酸为什么都是左手,而糖都是右手?为什么现在的生命形态是这样一种情况?这些都和手性有关。虽然手性领域的突破已经获得了诺贝尔奖,但是未完成的事情还有许多,我们也不是所有的药都能用这个技术来做,还没达到这种程度。
  《新民周刊》:在您眼中,我国手性领域的研究在国际上处于什么水平?
  丁奎岭:我们国家应该说在国际上属于非常先进的水平。其实在一个领域里,探索是无穷尽的,当你把这个领域又发展到一个新的高度,会对人类做出新的贡献。比如人类能否通过模拟自然去超越自然呢?如能否把合成氨、氮气、氢气放在一起?在温和的条件下做出来,没有那么多污染。现在的合成氨工业在高温高压的条件下具有一定的危险性。如果谁能够在此领域再有突破,就是对人类做出巨大贡献。
  手性这个领域也是一样,会不断地发展。最近几年上海有机化学研究所好几个院士都是做手性催化的。当然有时我还兼做些其他方面的研究,如二氧化碳的转化;能够把二氧化碳这种温室气体,做成一种碳资源,能够把它利用起来,就可以为人类服务。我不一定能解决二氧化碳的减排,毕竟全世界二氧化碳排放要上亿吨,但如果想要把这个碳资源利用起来,做出来可供人类使用的物质,那就是变废为宝。当然二氧化碳它非常稳定,你要想让它转化也不是那么容易的事情,所以科学家们就去挑战这个难题。这也就是我从事的与绿色化学有关的关键内容。
 
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