潛心仿生催化 立足化學前沿——記湖南大學化學化工學院郭燦城教授

本刊記者 宋 潔

2012年6月9日，科學中國人(2011)年度人物頒獎典禮暨2012科學中國人論壇在北京召開。本次活動授予基礎研究、機械與運載等10個領域共80人“科學中國人(2011)年度人物獎”，湖南大學化學化工學院郭燦城教授由于對仿生催化研究領域的突出貢獻而入選。

仿生催化是生物催化與化學催化交叉形成的新催化技術，長期受到國際學術界和企業界的高度重視。我國已將新催化技術列為化學工業“十一五”期間重點攻克的6項重大共性、關鍵技術之首。2010年，“仿生催化”被國家自然科學基金委員會確定為新的學科領域并賦予了相應學科代碼。

郭燦城教授長期致力于仿生催化科學研究。他針對影響國計民生的石油化工，以突破國際碳氫化合物氧化領域科學技術重大挑戰問題為目標，借鑒生命體中酶的結構和酶催化機理，建立基于金屬卟啉的碳氫化合物仿生催化氧化體系來代替目前工業上難以控制的碳氫化合物氧化體系，形成了系列原始創新仿生催化綠色技術。

結緣有機化學烴類仿生催化氧化開先河

1984年，我國著名有機化學專家、南開大學周秀中教授到湖南講學。他的精彩演講使郭燦城對有機化學研究產生了興趣，在他的鼓勵下，郭燦城報考了南開大學研究生，并于第二年順利進入高振衡院士實驗室，師從朱申杰先生。當時，朱先生從美國哥倫比亞大學回國還不久，從事金屬卟啉仿生催化研究。就這樣，郭燦城與有機化學和仿生催化結下不解之緣。

1989年，郭燦城獲得了他的第一項國家自然科學基金資金資助項目而獨立開始從事金屬卟啉仿生催化烴類氧化反應研究，針對國際大型化工產品生產效率最低的環己酮制備的工藝，開發了金屬卟啉仿生催化環己烷氧化為環己酮的工藝，并獲得國家發明專利。

“烴類仿生催化氧化技術”的核心創新點是通過模擬血紅素活化分子氧的過程啟動化學催化氧化循環過程達到生物循環與化學循環的有效耦聯，涉及的關鍵科學問題有：仿生催化劑結構與催化活性之間的相互關系及影響因素；催化過程中仿生催化劑活性結構與非活性結構的可逆轉化條件與規律；仿生催化劑的催化過程與自氧化過程的競爭及控制；低成本仿生催化劑的篩選與合成方法；仿生催化烴類空氣氧化反應規律及產物選擇性控制；仿生催化烴類空氣氧化過程中生物循環與化學循環耦聯的條件與調控。

而郭燦城之所以專注于烴類仿生催化氧化技術的研發，是出于“烴類氧化技術是石油化工的基礎，烴類氧化產品是合成纖維、合成樹脂的基本材料，是全球需求量最大的有機化學品，但烴類氧化是最難控制的化學反應”的考慮。

由于烴類化合物的化學惰性，烴類氧化生產工業中的環境污染、高能耗和低效益一直是亟待解決的國際難題。20世紀70年代以來，以活化分子氧為特征的血紅素生物氧化模擬(烴類仿生催化氧化)、以活化分子氮為特征的生物固氮模擬和以活化分子水為特征的光合作用模擬成為國際前沿的三大生物氧化應用技術。經過30多年的努力，科學家們雖然對血紅素生物氧化過程有了比較清晰的了解，但同時也斷言，“應用生物氧化過程實現碳氫化合物轉化在原理上是可行的，但實際上，大規模工業應用是有問題的”。在這樣的背景之下，郭燦城帶領湖南大學化學化工學院仿生催化課題組—直將研究和探索烴類仿生催化氧化過程中的科學和技術問題作為烴類仿生催化氧化研究的追求目標。

功夫不負有心人，郭燦城課題組的“烴類仿生催化氧化技術”問世以來，受到各方面的贊譽，國家最高科學獎得主閔恩澤院士更是高度評價其為近年來中國綠色化學領域幾項具有跨越式進步的原始創新成果之一。該技術成果先后獲得國家教育部技術發明一等獎、湖南省自然科學一等獎、國家知識產權局中國專利優秀獎。

潛心治學環己酮制備新工藝克難題

目前在工業生產中使用的環己烷空氣氧化制備環己酮工藝已經有40多年歷史，它的低轉化率以及選擇性和轉化率不能同時提高的問題成為環己酮生產中的國際難題。環己酮作為尼綸6和尼綸66的基本原料，環己酮的工業生產技術成為了尼綸6和尼綸66的瓶頸問題。

據此，郭燦城課題組從2000年9月開始對“仿生催化空氣氧化環己烷制備環己酮新工藝”項目進行攻關。在郭燦城教授的帶領下，課題組成員基于國際上金屬卟啉仿生催化機理和工業上環己烷氧化的自由基機理，設計符合以金屬卟啉仿生催化誘導的碳氫化合物自由基氧化機理的工藝，并將該工藝成功應用于環己烷空氣氧化制備環己酮，形成了能同時提高環己烷氧化反應轉化率和選擇性的具有自主知識產權的仿生催化新技術。

該技術充分利用國際上現有的環己酮生產設備，加入1-2ppm金屬卟啉催化劑，使環己烷氧化反應溫度從165度降低到145度，反應壓力從12大氣壓降低到8大氣壓，而反應轉化率從4%提高到8%，產物環己酮選擇性從78%提高到85%。工業過程中加熱水蒸氣由中壓蒸汽降為低壓蒸汽，三廢排出量減少60%，環己酮生產成本降低10-15%，生產能力提高一倍多。該項應用在2001年完成實驗室研究，2003年在中石化巴陵分公司完成中試，2004年和2005年分別在中石化岳陽化工總廠和中石化巴陵分公司完成工業試驗。

同時，經國家“863”計劃新材料領域辦公室組織的驗收表明，與目前國際上應用的環己烷空氣氧化制備環己酮工業技術相比，該仿生催化新技術能使環己烷氧化轉化率提高一倍，產物收率增加10%。該項目已被確定為國家“863”重大成果宣傳項目。

此外，根據金屬卟啉仿生催化原理，該方法還可以用于所有碳氫化合物的空氣氧化過程。目前，郭燦城課題組在仿生催化領域獲準的發明專利有18項，氧化產品涉及環己酮、己二酸、苯甲醛、苯甲酸、對甲基苯甲酸、對苯二甲酸、環氧環己烷、環己烯酮等；涉及的反應有：飽和碳氫鍵氧化、芳香碳氫鍵氧化、碳碳單鍵氧化、碳碳雙鍵的環氧化和斷鍵氧化。其中甲苯仿生催化氧化制備苯甲醛技術已走出國門轉讓到印度一上市公司進行工業化生產。

春風化雨一肩擔起院長教授兩重任

郭燦城于2000年初開始擔任湖南大學化學化工學院院長直到2011年3月卸任。在擔任院長一職的11年里，在他的帶領下，學院實現了國家重點實驗室、國家重點學科、國家理科人才培養基地、國家三大科技獎勵二等獎、國家教學成果獎的突破；在國家啟動的教學質量工程中，獲得1個實驗教學示范中心和2個一級學科博士點；在國家啟動的211和985工程建設中，獲準211工程重點學科和985工程一類平臺建設。在提升辦學條件、辦學水平和社會影響方面，化學化工學院走在了學校各學院的前列，學院的發展為湖南大學進入國家高水平研究型大學建設行列奠定了基礎。

作為院長，郭燦城自豪于看到這些變化，但他更是一個傳道授業解惑的教授。科研、管理之外，他還在培養博土后，博士和碩士研究生，并堅持主講《有機化學》本科基礎課程，由他負責的該課程被評為“國家精品課程”。而由他主編的《有機化學》教材也被確定為“國家十一五規劃教材”以及“國家精品教材”。并以第一完成人獲湖南省教學成果一等獎3項，國家教學成果二等獎1項。

“作為教授，我最大的榮譽還是來自于學生，每次本科評教進入全校前50名是我最自豪的時候。”慈祥的面容、平凡的話語道出了郭燦城躬耕教育的心聲。