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【环球】化学能没有污染吗

日期: 2018-09-22 点击: ...
   

一位技术人员正在实验室里进行化学实验

    “通过探索全新的化学反应及过程,从根本上增加化学合成的效率,减少污染物产生,这是一个创造新的化学反应的过程。我们的任务是‘打通隧道’寻找捷径。”

    《环球》杂志记者/张文静

    作为近代科学发展的产物,化学在给人们生活带来便利的同时,也带来了环境污染。一些重大的环境事件往往与化学有关,比如臭氧层空洞、白色污染、酸雨和水体富营养化,等等。

    上世纪80年代末90年代初,当这个世界开始对化学污染心生恐惧的时候,绿色化学时代随之开启,李朝军就是在那个时候走出国门,去往遥远的加拿大。

    如今,李朝军是加拿大皇家科学院院士、发展中国家科学院院士,获得过2001年度美国总统绿色化学挑战奖,是国际绿色化学领域的奠基者和引领者之一。他大幅度地提高了原子利用效率,并开创了一系列全新的化学反应,尤其是他开创的水相中有机化学反应被视为“绿色化学领域的一个开端经典”。

    绿色化学是20世纪90年代初新兴的一门交叉学科,其核心是通过新的科学设计充分利用资源和能源,从源头上减少和消除工业对环境的污染。

    在接受《环球》杂志记者专访时,李朝军语速不快、声调不高,但据了解他的人说,性格温和的李朝军,其实是个热爱挑战极限的“科学达人”。

挑战“真理”

    化学化工与人们的生活有着密切联系,改善着人们的衣食住行及卫生和健康条件,有效提高了人们的生活质量,但在自然资源的提取和转化过程中,由于效率较低,消耗了很多能量和资源,产生了污染环境的废弃物。

    如何使化学化工产品的生产过程更绿色环保?李朝军解释,以往传统的办法就是如果出现环境问题,则关闭相关企业,或者为了发展经济,对环境有所牺牲。“在绿色化学出现之前,几乎没有好的办法使经济发展和环境保护达到平衡。化工产品越来越多,但资源越来越少。”

    李朝军介绍,绿色化学的出现就是着眼于解决这一矛盾。寻找可再生资源,高效地利用和转化可再生资源,从源头上避免对环境的不利影响,并促进工业发展。“这是绿色化学的根本宗旨。”

    20世纪90年代,全球科技工作者开始重点研究绿色化学。李朝军在这一研究领域“冲出重围”。

    “通过探索全新的化学反应及过程,从根本上增加化学合成的效率,减少污染物产生,这是一个创造新的化学反应的过程。我们的任务是‘打通隧道’寻找捷径。”李朝军如此形容自己的探索之道,“从这个山头到那个山头,上山下山,总要在复杂的山路中到处找路,既耗体力又费时间,我们的目的就是找一条捷径,比如打开一个山洞,从山这边直接到山那边。”

    过去30多年里,李朝军带领自己的团队,不停地重复着“打隧道”的工作。在这个过程中,他发现了一些全新的化学反应,并且从中取得了重大成果,得到权威机构和专家的认可。

    水相中的格氏反应就出自他手。经典格氏反应被认为是有机化学最重要的反应之一,有着100多年的历史,其发现者曾于1912年获得当年的诺贝尔化学奖。化学界传统的观念认为这个反应只能在无水、无氧等条件苛刻的有机溶剂中进行。

    1989年,李朝军在加拿大攻读博士时,做过一个天然产物的合成,发现“合成和反应的过程太复杂,需要很多的保护基和脱保护基过程”,便思考是否能探索全新的办法。

    他有了一个大胆的设想:在水中进行格氏反应,因为如果水能代替有机溶剂,将大大简化化学合成并减少溶剂污染。“所有人都认为格氏反应必须在无水等非常苛刻的条件下完成,但我不这样认为。”

    当李朝军提出这一挑战“真理”的想法时,很多人觉得不可思议。曾会应说:“格氏反应非常怕水,因此必须除水,现在用水做溶剂,完全颠覆了传统有机化学的观念,但李老师做到了。”

    有了这一想法,在博导的指导下,李朝军立即付诸行动。3个月内,他每天都在想各种各样的办法,通过实验证实自己的想法。十多年后,李朝军终于一步步完善了水中的格氏反应。这个反应可以被直接用于复杂分子如糖在水中的反应,极大地简化了化学合成过程并从源头上降低了化学品及溶剂污染。直到现在,他还在努力完善这类反应。

    李朝军说:“有机溶剂易挥发,易燃易爆,安全系数不高,污染严重,但如果在水中进行格氏反应,就能避免这些问题,使反应更简单和安全。”

    凭借这项研究,李朝军被授予2001年度美国总统绿色化学挑战奖。这项研究成果还被列入法文版的高校教材《普通化学》。

    对李朝军而言,不断挑战科学极限是个有趣的过程。炔丙基胺是一类重要的化学转化中间体及许多医药构架单元。传统合成需要多步反应来完成,原子利用效率低,易产生大量废弃物。李朝军研发了炔-醛-胺偶联反应(A3-偶联反应),利用一系列催化剂在水中仅用一步便能高效地将炔-醛-胺转化成炔丙基胺,而且水是唯一副产品。

探索研究木质素

    2016年,李朝军来到兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室,组建课题组。不久,他作为首席科学家申报了“绿色催化与合成国际联合研究中心”,为兰州大学新增了一个国家级的研究平台。

    只有“坐得住冷板凳”,才能“做得了钢铁侠”。李朝军说,再好的想法也需要无数次的实验,有可能99.9%都是失败的例子,但一旦那0.1%“有戏”,意味着很快就要成功了。

    在李朝军的带领下,他的团队正开展一项全新的研究,对可再生资源木质素降解进行基础研究。

    化学品最基础的原料是石油等不可再生的资源,而这个科研团队的想法是,如果能从植物中获得化工原料,就可以替代这些不可再生资源。“木材有三种成分,木质素、纤维素和半纤维素。造纸业利用完纤维素和半纤维素后占木材总重量10%~20%的木质素被当作废弃物排放,给环境造成很大的压力。”李朝军说。

    木质素与石油、煤炭等作为原料所得到的有用小分子成分是一样的,如果能将木质素关键结构切断,变成有机小分子,就能够作为未来化学品的原料,并对预防环境污染乃至资源的可持续发展具有重要意义。

    李朝军带领兰州大学的团队进行了初步的尝试。他们对这项研究充满期待,希望有朝一日能够做出有意义的探索,变废为宝。

“一分之差”的辩证法

    说起自己与绿色化学的渊源,李朝军显得有点“不好意思”。

    李朝军出生于河南省洛阳市郊的一个小村庄。从初中到高中,他都是学习绘画的艺术特招生。考入中央美术学院是他和父母追求的最高目标。

    高中阶段,李朝军“误打误撞”地参加了几次学校组织的数学和理化竞赛。比赛中,他名列前茅,理科天赋被老师发现。“我家是农村的,上学机会少,当时一个村子好多年才出一个大学生。老师走了很远的路到我家里,动员父母劝说我改学理科。”李朝军告诉《环球》杂志记者,最终他不负众望,成功考取了郑州大学化学系。

    大一课程对他而言相对轻松,他就把课余时间用到了英语学习上。两个多月,只在高中接触过英语的他就记完了大学期间所有需要学习的英语单词,能够阅读专业类的英文文献或原著。

    当时的郑州大学化学系主任听说了李朝军的“传奇”,邀请他赴办公室面谈。作为入学还不到3个月的大一新生,他紧张不已。“系主任在阅读英文版的化学专著,他将书递给我,让我用中文直接翻译。”

    虽然紧张,但李朝军并没有令系主任失望,还被鼓励大学毕业后一定要出国留学,学习国外先进的科学理念和技术。在这次“面试”后他还得到一个“特权”,可以随时进入原本只对教师和研究生开放的化学资料室。那里收藏了很多中英文的文献和杂志。

    从高中到大学,他的读书阶段可谓一帆风顺,但到了毕业前夕,李朝军遭遇了一次印象深刻的挫折。“1983年,我准备报考国内一重点大学的出国预备生,主攻无机化学专业,但失利了。”李朝军的有机化学专业课以一分之差与目标学校无缘,尽管他的英语成绩及总分都是同届考生中的最高分。

    暂时失利后,李朝军本科毕业,去了河南一所高校担任化学老师。他说,“在哪里跌倒了就应该从哪里站起来。有机化学差了一分,我就一定要拿下它。”于是,李朝军一边给学生授课一边继续学习。

    1985年,李朝军以第一名的成绩考取了中国科学院化学研究所有机化学专业硕士研究生。

    主动从无机化学“跳跃”到有机化学,与完全不同的研究对象打交道,李朝军说,不觉得其中的过程有多艰辛,倒笑称“这才有趣”。

    但在他的学生、兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室副教授曾会应看来,与其说“一分之差”是遗憾,不如说是成功的源头,“他用挑战自己、不愿服输的精神弥补了‘一分之差’的遗憾。”

    1989年起,李朝军先后赴加拿大麦吉尔大学攻读博士研究生,赴美国斯坦福大学从事博士后工作。

    (《环球》杂志  2018年9月19日  第19期

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编辑:法伊莎
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