不畏挑戰(zhàn)，做催化化學(xué)的勇者
——記西安交通大學(xué)前沿院教授郭武生

文/肖延勝

2017年五四青年節(jié)前夕，習(xí)近平總書記寄語(yǔ)廣大青年人：“要充分發(fā)揮青年的創(chuàng)造精神，勇于開拓實(shí)踐，勇于探索真理?！北疚牡闹魅斯褪且晃挥掠谔剿鞑晃防щy的青年學(xué)者，他就是西安交通大學(xué)青年教師，巴塞羅那自治大學(xué)化學(xué)博士郭武生。

交叉學(xué)科，碩果累累

催化化學(xué)是一門交叉學(xué)科，這對(duì)人才的要求是非常嚴(yán)格的。研究者們通常需要精通各個(gè)領(lǐng)域的化學(xué)知識(shí)。郭武生博士于2007 — 2010年就讀于華南理工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，在魏坤教授指導(dǎo)下從事介孔二氧化硅材料的合成及其作為藥物載體和煙氣有害物質(zhì)吸附劑的研究。2010年10月至2014年6月，郭武生就讀于西班牙巴塞羅那自治大學(xué)化學(xué)系，師從Roser Pleixats教授和Alexandr Shafir博士，從事高價(jià)碘化學(xué)和金屬納米粒子催化研究。博士畢業(yè)后，加入西班牙加泰羅尼亞化學(xué)研究所(ICIQ)Arjan Kleij教授課題組從事二氧化碳活化及有機(jī)化學(xué)方法學(xué)博士后研究。其研究課題呈現(xiàn)多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，研究領(lǐng)域包括材料化學(xué)、納米材料制備與催化、有機(jī)小分子催化、二氧化碳活化、金屬有機(jī)等。深知學(xué)科的特殊性，郭博士刻苦鉆研，堅(jiān)持不懈，終在催化化學(xué)領(lǐng)域取得了優(yōu)異的成績(jī)。

郭武生教授

以TBD為催化劑，郭武生博士設(shè)計(jì)了“質(zhì)子傳遞”催化機(jī)理。這一機(jī)理的應(yīng)用在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)環(huán)狀碳酸酯的胺化生成苯胺基甲酸酯的反應(yīng)，并運(yùn)用此催化機(jī)理解決了多個(gè)現(xiàn)存科學(xué)難題。由于γ-丁內(nèi)酯的熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及苯胺較低的親核性，從而使得γ-丁內(nèi)酯的胺化開環(huán)生成酰胺的反應(yīng)變得異常困難。通過(guò)對(duì)TBD催化的“質(zhì)子傳遞”機(jī)理的深入分析，郭武生博士巧妙地運(yùn)用該機(jī)理，通過(guò)使用TBD作為催化劑攻克了該世界難題。在此基礎(chǔ)上，課題組再次通過(guò)引入乙炔基及銅催化劑，利用乙炔基丁內(nèi)酯的不對(duì)稱胺化開環(huán)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了世界首例高對(duì)映選擇性的γ，γ-雙取代的γ-氨基酸的合成。

此外，郭武生博士利用路易斯酸鋁配合物催化活化二氧化碳，從而合成以二氧化碳為原料的相關(guān)藥物分子，該研究為二氧化碳的回收利用和固化提供了有效途徑，得到化學(xué)界的高度認(rèn)可。通過(guò)設(shè)計(jì)合成合適的穩(wěn)定劑，實(shí)現(xiàn)水溶性銠、金納米粒子的合成，并首次實(shí)現(xiàn)銠金屬立體選擇性催化非末端炔烴的氫化硅烷化反應(yīng)，該納米粒子催化劑可實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)回收利用并保持催化活性不變，從而大大提升了催化效率； 所合成的金納米粒子可催化室溫水中硝基苯還原為苯胺的反應(yīng)，從而為處理硝基苯污染水提供了解決思路。這些優(yōu)秀的科研成果與郭博士自身的科研水平和科研態(tài)度是分不開的。他不畏困難，勇于挑戰(zhàn)難題，一次次的實(shí)驗(yàn)為他積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，奠定了今日碩果累累的基礎(chǔ)。

有機(jī)催化，挑戰(zhàn)多多

在溫和的條件下利用簡(jiǎn)單易得的原料實(shí)現(xiàn)立體、區(qū)域或手性選擇性合成目標(biāo)分子并且附帶產(chǎn)生盡可能少的廢棄物是當(dāng)今合成化學(xué)最具有吸引力和挑戰(zhàn)性的研究課題之一。作為烯烴大家族的一類，烯丙基骨架是藥物化學(xué)和合成化學(xué)中非常重要的反應(yīng)中間體或合成單元，因此，烯丙基骨架的構(gòu)建不論在合成化學(xué)還是工業(yè)界都具有重要的意義。盡管目前在該領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但是實(shí)現(xiàn)立體、區(qū)域和手性選擇性可控合成多取代的烯丙基骨架仍然具有很大的局限性。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，郭武生博士在Arjan Kleij教授的帶領(lǐng)下堅(jiān)持探索，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和巧妙的設(shè)計(jì)，開創(chuàng)性的利用金屬鈀催化脫羧烯丙基環(huán)狀碳酸酯體系，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下多取代的烯丙基胺、醇、醚或砜的區(qū)域、立體、手性可控合成并且僅產(chǎn)生二氧化碳副產(chǎn)物。

其研究結(jié)果表明，金屬催化劑的種類、配體的選擇及其溶劑、溫度及水分含量等實(shí)驗(yàn)條件均對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物選擇性影響明顯。雙[(2-二苯膦基)苯基]醚配體的使用有利于胺進(jìn)攻烯丙基中間體的末端碳而生成順式構(gòu)型的線狀多取代烯丙基胺。位阻較大的手性磷氮配體的使用有效抑制了線狀產(chǎn)物，大幅度促進(jìn)了支狀、具有叔碳中心的手性烯丙基胺的生成；該體系普適性良好，是世界首例鈀催化的a,a-雙取代的手性烯丙基胺的合成方法。進(jìn)一步研究表明，在無(wú)苯胺參與的條件下，溶劑中存在的少量水可直接進(jìn)攻烯丙基環(huán)狀碳酸脂的端位而生成順式1，4-丁烯二醇。由于水極弱的親核性，使用無(wú)毒害的水作為親核試劑是非常具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

郭博士面對(duì)一次次的挑戰(zhàn)，他沉著冷靜應(yīng)對(duì)，運(yùn)用自己所學(xué)與團(tuán)隊(duì)一起攻克了一個(gè)又一個(gè)難題，多個(gè)研究成果發(fā)表在化學(xué)頂級(jí)期刊如《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(3篇)或《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(4篇)。截至目前，郭博士以第一或通訊作者在化學(xué)的重要科研雜志上共發(fā)表高水平科研論文40余篇，并獲得中國(guó)授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)，其中10篇科研論文被期刊選為封面或被《Synfacts》， Organic Chemistry Portal， X-mol或 Chemistry Views作為亮點(diǎn)報(bào)道。值得一提的是，郭博士為Arjan Kleij教授研究組首次引入了金屬有機(jī)催化研究課題。由于在該領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，郭武生教授及Arjan Kleij教授近期受頂級(jí)科研期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》的邀請(qǐng)為其撰寫綜述文章。

功夫不負(fù)有心人，也許就是對(duì)郭博士這些年努力的最好的詮釋。郭武生說(shuō)：“人類的智慧是無(wú)限的，化學(xué)研究永無(wú)止境，只要敢于接受挑戰(zhàn)，就一定會(huì)取得成功?！闭怯捎诓晃防щy勇往直前的堅(jiān)定信念，使其在催化化學(xué)領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。作為一名青年學(xué)者，郭博士還有很長(zhǎng)的路要走。憑借著不畏困難的精神和勇氣，郭武生教授定會(huì)克服千難萬(wàn)險(xiǎn)勇攀化學(xué)高峰。