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他把“闷闷”的硼原子变成良性催化剂

来源:科技日报2019-11-04 09:34

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  陈 曦

  红格衬衫搭配牛仔裤、休闲鞋,王晓晨的装扮就像个在校大学生。这位南开大学化学学院研究员的作息也如大学生一般,每天都是实验室、课堂和家三点一线。

  日前,王晓晨荣获腾讯基金会首届“科学探索奖”,他的获奖领域是“化学新材料”。他主要从事有机硼催化化学研究,最近4年多来在该研究领域完成了多项创新工作。

  在王晓晨团队的最新研究成果——手性双环双硼催化剂的化学结构里,双环结构如同“翅膀”,让原本不活跃、甚至有点“闷闷”的硼原子振翅高飞、放飞自我,变成了性能优良的催化剂,而这离不开该团队历时数年的反复实验。

  因喜欢做实验与化学结缘

  翻开王晓晨的履历,本科4年,他都是在南开大学化学学院度过的。说起学化学的初衷,王晓晨坦言:“我觉得,化学与日常生活密切相关,而且我喜欢做实验。”

  本科毕业后,王晓晨赴美国马里兰大学攻读博士学位,又去美国斯克里普斯研究所完成博士后研究工作。在结束美国8年的求学、工作生涯后,王晓晨选择回到母校南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室,从事教学和科研工作。

  在美国时,王晓晨的研究领域是金属催化剂。他介绍道,催化剂在现代化学工业中具有极其重要的地位,约90%以上的工业生产领域需要用到催化剂,如化工、石化、生化、环保等。

  “金属催化剂是目前比较常用的催化剂之一。”王晓晨指着一张化学元素周期表说,铑、铱、铂等都是常用的金属催化剂,不过这些金属比较稀有、不易被获取,所以价格昂贵,甚至比金子还要贵很多。因此王晓晨回国后,把研究的方向定为,价格便宜且易被获取的非金属硼催化剂。

  虽然硼作为催化剂具有种种优势,但当时世界上关于硼催化剂的研究还较少。在查阅大量资料后,王晓晨想做实验看看,硼元素作为催化剂的表现到底如何。

  “一上手才知道,这些文献太有‘欺骗性’了。我们最初设立的美好愿景,一上来就被实验结果打得稀碎。”王晓晨笑着说,我们一开始模仿文献中的步骤重复实验,可实验结果与文献相差甚远。期刊上标明产率能达到70%到80%,而我们只做到10%到20%。

  “经过研究发现,有差距是因为我们的实验方法出了问题,硼化合物的稳定性很差,吸水后易变质,因此需要在操作上更精准,避免杂质并隔绝空气。”王晓晨说。

  自从确定了有机硼催化这一研究方向,王晓晨便和团队一头扎进了实验室。每天从早晨8点多到晚上10点多,除了给学生上课、参加学术活动外,王晓晨几乎都泡在实验室里。“其实,我们这个专业的科研人员几乎都这样,一有时间就往实验室钻。”王晓晨说。

  反复试错终制成优质催化剂

  “其实对我们来说,最难的不是反复做实验,而是面对一次次实验失败,还要鼓起勇气继续下去。”王晓晨感慨道,“就像走迷宫,一开始很有信心,但走着走着突然发现,前面写着‘此路不通’。这样的情况,我们在试验中出现过无数次。”

  为了搭好硼原子的骨架,需要对碳、氢元素进行构架。“就像盖房子,先要确定是盖别墅、还是盖公寓,这就涉及到碳和氢的位置;然后再把硼原子放进去,是放在屋顶上,还是放在地板上,只有把它放在合适的位置,才能使其活跃起来。如果房子盖得不合适,硼原子根本都放不进去。”王晓晨说,起初我们对这个过程一无所知,所以要设计各种组合去实验。设计一个骨架结构并付诸实践,至少需要2到3周的时间;得出的实验结果,如果没有活性,那做出来的东西就是“一堆土”。

  “4年中,我们团队整整做了上百堆‘土’。不过失败有时也是难得的经验,至少我们排除了那些走不通的路。”王晓晨笑着说。

  有时候,成功需要点运气,但幸运也会眷顾勤奋的人。王晓晨团队基于前期研究经验,选择了并环和螺环结构,并进行了新尝试。这次他们终于成功了,由此研制出的手性双环双硼催化剂,在不对称氢化反应中表现出优异的活性和选择性,催化转化数达到世界领先水平。

  未来,王晓晨团队将进一步研究硼催化剂的特性,促进该领域的深度发展。

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