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在校大學生。這位南開大學化學學院研究員的作息也如大學生一般，每天都是實驗室、課堂和家三點一線。

日前，王曉晨榮獲騰訊基金會首屆“科學探索獎”，他的獲獎領域是“化學新材料”。他主要從事有機硼催化化學研究，最近4年多來在該研究領域完成了多項創(chuàng)新工作。

在王曉晨團隊的最新研究成果——手性雙環(huán)雙硼催化劑的化學結(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“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，而這離不開該團隊歷時數(shù)年的反復實驗。

因喜歡做實驗與化學結(jié)緣

翻開王曉晨的履歷，本科4年，他都是在南開大學化學學院度過的。說起學化學的初衷，王曉晨坦言：“我覺得，化學與日常生活密切相關，而且我喜歡做實驗。”

本科畢業(yè)后，王曉晨赴美國馬里蘭大學攻讀博士學位，又去美國斯克里普斯研究所完成博士后研究工作。在結(jié)束美國8年的求學、工作生涯后，王曉晨選擇回到母校南開大學化學學院元素有機化學國家重點實驗室，從事教學和科研工作。

在美國時，王曉晨的研究領域是金屬催化劑。他介紹道，催化劑在現(xiàn)代化學工業(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元素周期表說，銠、銥、鉑等都是常用的金屬催化劑，不過這些金屬比較稀有、不易被獲取，所以價格昂貴，甚至比金子還要貴很多。因此王曉晨回國后，把研究的方向定為，價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，但當時世界上關于硼催化劑的研究還較少。在查閱大量資料后，王曉晨想做實驗看看，硼元素作為催化劑的表現(xiàn)到底如何。

“一上手才知道，這些文獻太有‘欺騙性’了。我們最初設立的美好愿景，一上來就被實驗結(jié)果打得稀碎。”王曉晨笑著說，我們一開始模仿文獻中的步驟重復實驗，可實驗結(jié)果與文獻相差甚遠。期刊上標明產(chǎn)率能達到70%到80%，而我們只做到10%到20%。

“經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，有差距是因為我們的實驗方法出了問題，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，避免雜質(zhì)并隔絕空氣。”王曉晨說。

自從確定了有機硼催化這一研究方向，王曉晨便和團隊一頭扎進了實驗室。每天從早晨8點多到晚上10點多，除了給學生上課、參加學術(shù)活動外，王曉晨幾乎都泡在實驗室里。“其實，我們這個專業(yè)的科研人員幾乎都這樣，一有時間就往實驗室鉆。”王曉晨說。

反復試錯終制成優(yōu)質(zhì)催化劑

“其實對我們來說，最難的不是反復做實驗，而是面對一次次實驗失敗，還要鼓起勇氣繼續(xù)下去。”王曉晨感慨道，“就像走迷宮，一開始很有信心，但走著走著突然發(fā)現(xiàn)，前面寫著‘此路不通’。這樣的情況，我們在試驗中出現(xiàn)過無數(shù)次。”

為了搭好硼原子的骨架，需要對碳、氫元素進行構(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。如果房子蓋得不合適，硼原子根本都放不進去。”王曉晨說，起初我們對這個過程一無所知，所以要設計各種組合去實驗。設計一個骨架結(jié)構(gòu)并付諸實踐，至少需要2到3周的時間;得出的實驗結(jié)果，如果沒有活性，那做出來的東西就是“一堆土”。

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

有時候，成功需要點運氣，但幸運也會眷顧勤奮的人。王曉晨團隊基于前期研究經(jīng)驗，選擇了并環(huán)和螺環(huán)結(jié)構(gòu)，并進行了新嘗試。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，在不對稱氫化反應中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和選擇性，催化轉(zhuǎn)化數(shù)達到世界領先水平。

未來，王曉晨團隊將進一步研究硼催化劑的特性，促進該領域的深度發(fā)展。