潜心仿生催化立足化学前沿

2012年6月9日,科学中国人(2011)年度人物颁奖典礼暨2012科学中国人论坛在北京召开.本次活动授予基础研究、机械与运载等10个领域共80人“科学中国人(2011)年度人物奖”,湖南大学化学化工学院郭灿城教授由于对仿生催化研究领域的突出贡献而入选.

仿生催化是生物催化与化学催化交叉形成的新催化技术,长期受到国际学术界和企业界的高度重视.我国已将新催化技术列为化学工业“十一五”期间重点攻克的6项重大共性、关键技术之首.2010年,“仿生催化”被国家自然科学基金委员会确定为新的学科领域并赋予了相应学科代码.

郭灿城教授长期致力于仿生催化科学研究.他针对影响国计民生的石油化工,以突破国际碳氢化合物氧化领域科学技术重大挑战问题为目标,借鉴生命体中酶的结构和酶催化机理,建立基于金属卟啉的碳氢化合物仿生催化氧化体系来代替目前工业上难以控制的碳氢化合物氧化体系,形成了系列原始创新仿生催化绿色技术.

结缘有机化学烃类仿生催化氧化开先河

1984年,我国著名有机化学专家、南开大学周秀中教授到湖南讲学.他的精彩演讲使郭灿城对有机化学研究产生了兴趣,在他的鼓励下,郭灿城报考了南开大学研究生,并于第二年顺利进入高振衡院士实验室,师从朱申杰先生.当时,朱先生从美国哥伦比亚大学回国还不久,从事金属卟啉仿生催化研究.就这样,郭灿城与有机化学和仿生催化结下不解之缘.

1989年,郭灿城获得了他的第一项国家自然科学基金资金资助项目而独立开始从事金属卟啉仿生催化烃类氧化反应研究,针对国际大型化工产品生产效率最低的环己酮制备的工艺,开发了金属卟啉仿生催化环己烷氧化为环己酮的工艺,并获得国家发明专利.

“烃类仿生催化氧化技术”的核心创新点是通过模拟血红素活化分子氧的过程启动化学催化氧化循环过程达到生物循环与化学循环的有效耦联,涉及的关键科学问题有：仿生催化剂结构与催化活性之间的相互关系及影响因素；催化过程中仿生催化剂活性结构与非活性结构的可逆转化条件与规律；仿生催化剂的催化过程与自氧化过程的竞争及控制；低成本仿生催化剂的筛选与合成方法；仿生催化烃类空气氧化反应规律及产物选择性控制；仿生催化烃类空气氧化过程中生物循环与化学循环耦联的条件与调控.

而郭灿城之所以专注于烃类仿生催化氧化技术的研发,是出于“烃类氧化技术是石油化工的基础,烃类氧化产品是合成纤维、合成树脂的基本材料,是全球需求量最大的有机化学品,但烃类氧化是最难控制的化学反应”的考虑.

由于烃类化合物的化学惰性,烃类氧化生产工业中的环境污染、高能耗和低效益一直是亟待解决的国际难题.20世纪70年代以来,以活化分子氧为特征的血红素生物氧化模拟(烃类仿生催化氧化)、以活化分子氮为特征的生物固氮模拟和以活化分子水为特征的光合作用模拟成为国际前沿的三大生物氧化应用技术.经过30多年的努力,科学家们虽然对血红素生物氧化过程有了比较清晰的了解,但同时也断言,“应用生物氧化过程实现碳氢化合物转化在原理上是可行的,但实际上,大规模工业应用是有问题的”.在这样的背景之下,郭灿城带领湖南大学化学化工学院仿生催化课题组―直将研究和探索烃类仿生催化氧化过程中的科学和技术问题作为烃类仿生催化氧化研究的追求目标.

功夫不负有心人,郭灿城课题组的“烃类仿生催化氧化技术”问世以来,受到各方面的赞誉,国家最高科学奖得主闵恩泽院士更是高度评价其为近年来中国绿色化学领域几项具有跨越式进步的原始创新成果之一.该技术成果先后获得国家教育部技术发明一等奖、湖南省自然科学一等奖、国家知识产权局中国专利优秀奖.

潜心治学环己酮制备新工艺克难题

目前在工业生产中使用的环己烷空气氧化制备环己酮工艺已经有40多年历史,它的低转化率以及选择性和转化率不能同时提高的问题成为环己酮生产中的国际难题.环己酮作为尼纶6和尼纶66的基本原料,环己酮的工业生产技术成为了尼纶6和尼纶66的瓶颈问题.

据此,郭灿城课题组从2000年9月开始对“仿生催化空气氧化环己烷制备环己酮新工艺”项目进行攻关.在郭灿城教授的带领下,课题组成员基于国际上金属卟啉仿生催化机理和工业上环己烷氧化的自由基机理,设计符合以金属卟啉仿生催化诱导的碳氢化合物自由基氧化机理的工艺,并将该工艺成功应用于环己烷空气氧化制备环己酮,形成了能同时提高环己烷氧化反应转化率和选择性的具有自主知识产权的仿生催化新技术.

该技术充分利用国际上现有的环己酮生产设备,加入1-2ppm金属卟啉催化剂,使环己烷氧化反应温度从165度降低到145度,反应压力从12大气压降低到8大气压,而反应转化率从4%提高到8%,产物环己酮选择性从78%提高到85%.工业过程中加热水蒸气由中压蒸汽降为低压蒸汽,三废排出量减少60%,环己酮生产成本降低10-15%,生产能力提高一倍多.该项应用在2001年完成实验室研究,2003年在中石化巴陵分公司完成中试,2004年和2005年分别在中石化岳阳化工总厂和中石化巴陵分公司完成工业试验.

同时,经国家“863”计划新材料领域办公室组织的验收表明,与目前国际上应用的环己烷空气氧化制备环己酮工业技术相比,该仿生催化新技术能使环己烷氧化转化率提高一倍,产物收率增加10%.该项目已被确定为国家“863”重大成果宣传项目.

此外,根据金属卟啉仿生催化原理,该方法还可以用于所有碳氢化合物的空气氧化过程.目前,郭灿城课题组在仿生催化领域获准的发明专利有18项,氧化产品涉及环己酮、己二酸、苯甲醛、苯甲酸、对苯甲酸、对苯二甲酸、环氧环己烷、环己烯酮等；涉及的反应有：饱和碳氢键氧化、芳香碳氢键氧化、碳碳单键氧化、碳碳双键的环氧化和断键氧化.其中甲苯仿生催化氧化制备苯甲醛技术已走出国门转让到印度一上市公司进行工业化生产.

春风化雨一肩担起院长教授两重任

郭灿城于2000年初开始担任湖南大学化学化工学院院长直到2011年3月卸任.在担任院长一职的11年里,在他的带领下,学院实现了国家重点实验室、国家重点学科、国家理科人才培养基地、国家三大科技奖励二等奖、国家教学成果奖的突破；在国家启动的教学质量工程中,获得1个实验教学示范中心和2个一级学科博士点；在国家启动的211和985工程建设中,获准211工程重点学科和985工程一类平台建设.在提升办学条件、办学水平和社会影响方面,化学化工学院走在了学校各学院的前列,学院的发展为湖南大学进入国家高水平研究型大学建设行列奠定了基础.

作为院长,郭灿城自豪于看到这些变化,但他更是一个传道授业解惑的教授.科研、管理之外,他还在培养博土后,博士和硕士研究生,并坚持主讲《有机化学》本科基础课程,由他负责的该课程被评为“国家精品课程”.而由他主编的《有机化学》教材也被确定为“国家十一五规划教材”以及“国家精品教材”.并以第一完成人获湖南省教学成果一等奖3项,国家教学成果二等奖1项.

“作为教授,我最大的荣誉还是来自于学生,每次本科评教进入全校前50名是我最自豪的时候.”慈祥的面容、平凡的话语道出了郭灿城躬耕教育的心声.