硼催化劑誕生史：是他把“悶悶”的硼原子變成良性催化劑

紅格襯衫搭配牛仔褲、休閑鞋，王曉晨的裝扮就像個(gè)在校大學(xué)生。這位南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院研究員的作息也如大學(xué)生一般，每天都是實(shí)驗(yàn)室、課堂和家三點(diǎn)一線。

日前，王曉晨榮獲騰訊基金會(huì)首屆“科學(xué)探索獎(jiǎng)”，他的獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域是“化學(xué)新材料”。他主要從事有機(jī)硼催化化學(xué)研究，最近4年多來(lái)在該研究領(lǐng)域完成了多項(xiàng)創(chuàng)新工作。

在王曉晨團(tuán)隊(duì)的最新研究成果——手性雙環(huán)雙硼催化劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)里，雙環(huán)結(jié)構(gòu)如同“翅膀”，讓原本不活躍、甚至有點(diǎn)“悶悶”的硼原子振翅高飛、放飛自我，變成了性能優(yōu)良的催化劑，而這離不開(kāi)該團(tuán)隊(duì)歷時(shí)數(shù)年的反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

因喜歡做實(shí)驗(yàn)與化學(xué)結(jié)緣

翻開(kāi)王曉晨的履歷，本科4年，他都是在南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院度過(guò)的。說(shuō)起學(xué)化學(xué)的初衷，王曉晨坦言：“我覺(jué)得，化學(xué)與日常生活密切相關(guān)，而且我喜歡做實(shí)驗(yàn)。”

本科畢業(yè)后，王曉晨赴美國(guó)馬里蘭大學(xué)攻讀博士學(xué)位，又去美國(guó)斯克里普斯研究所完成博士后研究工作。在結(jié)束美國(guó)8年的求學(xué)、工作生涯后，王曉晨選擇回到母校南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院元素有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，從事教學(xué)和科研工作。

在美國(guó)時(shí)，王曉晨的研究領(lǐng)域是金屬催化劑。他介紹道，催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中具有極其重要的地位，約90%以上的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域需要用到催化劑，如化工、石化、生化、環(huán)保等。

“金屬催化劑是目前比較常用的催化劑之一。”王曉晨指著一張化學(xué)元素周期表說(shuō)，銠、銥、鉑等都是常用的金屬催化劑，不過(guò)這些金屬比較稀有、不易被獲取，所以價(jià)格昂貴，甚至比金子還要貴很多。因此王曉晨回國(guó)后，把研究的方向定為，價(jià)格便宜且易被獲取的非金屬硼催化劑。

雖然硼作為催化劑具有種種優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)時(shí)世界上關(guān)于硼催化劑的研究還較少。在查閱大量資料后，王曉晨想做實(shí)驗(yàn)看看，硼元素作為催化劑的表現(xiàn)到底如何。

“一上手才知道，這些文獻(xiàn)太有‘欺騙性’了。我們最初設(shè)立的美好愿景，一上來(lái)就被實(shí)驗(yàn)結(jié)果打得稀碎。”王曉晨笑著說(shuō)，我們一開(kāi)始模仿文獻(xiàn)中的步驟重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)相差甚遠(yuǎn)。期刊上標(biāo)明產(chǎn)率能達(dá)到70%到80%，而我們只做到10%到20%。

“經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，有差距是因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)方法出了問(wèn)題，硼化合物的穩(wěn)定性很差，吸水后易變質(zhì)，因此需要在操作上更精準(zhǔn)，避免雜質(zhì)并隔絕空氣。”王曉晨說(shuō)。

自從確定了有機(jī)硼催化這一研究方向，王曉晨便和團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室。每天從早晨8點(diǎn)多到晚上10點(diǎn)多，除了給學(xué)生上課、參加學(xué)術(shù)活動(dòng)外，王曉晨幾乎都泡在實(shí)驗(yàn)室里。“其實(shí)，我們這個(gè)專業(yè)的科研人員幾乎都這樣，一有時(shí)間就往實(shí)驗(yàn)室鉆。”王曉晨說(shuō)。

反復(fù)試錯(cuò)終制成優(yōu)質(zhì)催化劑

“其實(shí)對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最難的不是反復(fù)做實(shí)驗(yàn)，而是面對(duì)一次次實(shí)驗(yàn)失敗，還要鼓起勇氣繼續(xù)下去。”王曉晨感慨道，“就像走迷宮，一開(kāi)始很有信心，但走著走著突然發(fā)現(xiàn)，前面寫(xiě)著‘此路不通’。這樣的情況，我們?cè)谠囼?yàn)中出現(xiàn)過(guò)無(wú)數(shù)次。”

為了搭好硼原子的骨架，需要對(duì)碳、氫元素進(jìn)行構(gòu)架。“就像蓋房子，先要確定是蓋別墅、還是蓋公寓，這就涉及到碳和氫的位置;然后再把硼原子放進(jìn)去，是放在屋頂上，還是放在地板上，只有把它放在合適的位置，才能使其活躍起來(lái)。如果房子蓋得不合適，硼原子根本都放不進(jìn)去。”王曉晨說(shuō)，起初我們對(duì)這個(gè)過(guò)程一無(wú)所知，所以要設(shè)計(jì)各種組合去實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)一個(gè)骨架結(jié)構(gòu)并付諸實(shí)踐，至少需要2到3周的時(shí)間;得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果沒(méi)有活性，那做出來(lái)的東西就是“一堆土”。

“4年中，我們團(tuán)隊(duì)整整做了上百堆‘土’。不過(guò)失敗有時(shí)也是難得的經(jīng)驗(yàn)，至少我們排除了那些走不通的路。”王曉晨笑著說(shuō)。

有時(shí)候，成功需要點(diǎn)運(yùn)氣，但幸運(yùn)也會(huì)眷顧勤奮的人。王曉晨團(tuán)隊(duì)基于前期研究經(jīng)驗(yàn)，選擇了并環(huán)和螺環(huán)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了新嘗試。這次他們終于成功了，由此研制出的手性雙環(huán)雙硼催化劑，在不對(duì)稱氫化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和選擇性，催化轉(zhuǎn)化數(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

未來(lái)，王曉晨團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步研究硼催化劑的特性，促進(jìn)該領(lǐng)域的深度發(fā)展。