林松:電化學取代傳統制藥路徑,發現“過去十年最有價值反應”

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技評論》公佈了 2019 年“35 歲以下科技創新 35 人”(Innovators Under 35 China)中國區榜單。在本屆榜單上,雖然缺失了“創業家”的身影,但是我們看到了許多在具有產業化潛能的領域堅持科研使命的獲獎人,也看到更多散佈在海外頂尖學術機構的科學家們,用自身不改初心的堅持努力,取得了世界級標竿成就的科研成果,其中有超過半數以上的獲獎者,都取得了世界級的突破性研究成果與發現。我們將陸續發出對 35 位獲獎者的獨家專訪,介紹他們的科技創新成果與經驗,以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

關於 Innovators Under 35 China 榜單

自 1999 年起,《麻省理工科技評論》每年都會推出“35 歲以下科技創新 35 人”榜單,旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神,以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家,共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017 年,該榜單正式推出中國區評選,遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆 2020 年度榜單正在徵集提名與報名,截止時間 2020 年 6 月 30 日。詳情請見文末。

林松:電化學取代傳統制藥路徑,發現“過去十年最有價值反應”

林松

發明家

林松憑藉其在電化學領域取得的一系列成果,榮膺 2019 年《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”中國區得主。

獲獎時年齡:33 歲

獲獎時職位:美國康奈爾大學助理教授兼米皓文研究員獲獎理由:他用電化學取代傳統制藥路徑,發現“過去十年最有價值反應”。

電化學是一門化學分支學科,專門研究電子和離子導體形成的接界面上帶電和電子轉移。它已在能源領域大放異彩,近年來在合成領域也顯示出重要性:孟山都等企業發明的電化學合成尼龍方法,已被某些公司採用,代替會產生有毒中間體的傳統方式。

在電化學研究中,找到高效的催化劑始終是重點。而康奈爾大學助理教授林松博士,做出的兩項傑出研究引發了同行關注:

在能源領域,人們始終在嘗試將二氧化碳高效轉化為甲烷等碳燃料。而林松團隊發明的新型有機催化劑,將鈷卟啉聚合成多孔材料,在轉化效率、催化劑穩定性和產物純度上均大幅提升。

在製藥領域,重要分子結構鄰二胺的傳統化學合成不僅試劑成本高、高汙染,而且合成路徑複雜。林松團隊則發明了一種製備鄰二胺的電化學反應和相關催化劑,被《科學》雜誌給予高度評價。

能踏入這些領域,林松表示有很大的戲劇性。他在博士期間從事有機合成研究,來到美國加州大學伯克利分校讀博士後,開始關注將電化學應用在能源方面。當時,學校內另一項目組恰好在研究利用多孔材料吸附二氧化碳,然後深埋地下來減少溫室氣體。而林松研究的是二氧化碳的催化還原反應。他開始嘗試將這兩種研究結合起來。

多孔材料雖然能高效地將二氧化碳吸附到結合位點,但結構本身不具有催化能力。林松則試圖找到一種有機小分子,本身具有催化官能團,聚合後恰好是多孔材料。“這需要特別的設計,就像搭積木一樣,不只是化學問題,也是幾何問題。”

最終,林松團隊將一種名為鈷卟啉的分子連接在一起,形成被稱為共價有機骨架的多孔材料。它具有 90% 的法拉第效率、29 萬次的週轉次數,活性相較傳統分子絡合物提高了 26 倍。

對此《科學》雜誌評論說,“如果各個國家想重新利用化石燃料,並避免更多二氧化碳排放到空氣中,這種催化劑將是必不可少的。”

來到康奈爾大學後,林松的興趣開始轉向藥物合成領域。人們當時很少利用電化學進行藥物合成,而林松試圖將烯烴轉化為其他材料,發現了一個能合成鄰二胺的電化學反應。鄰二胺這種結構在生物和製藥中普遍存在,但傳統的化學合成路徑複雜,試劑昂貴且高汙染,由此,讓電化學合成有了用武之地。

早先已有研究發現,錳卟啉能催化合成鄰二胺結構中的碳氮鍵,但錳卟啉在反應中並不穩定。戲劇性的是,林松發現,錳卟啉在反應中會分解成溴化錳,而它才是反應的真正催化劑。以此為基礎,林松團隊設計出鄰二胺合成的電化學路徑。

此項研究發表在《科學》和《自然-實驗室指南》雜誌上,論文審稿人稱讚說,“這無疑是過去十年來最令人興奮、最有應用價值的電化學轉化反應。”

值得一提的是,林松在研究中就十分注意能否應用於產業。“有實驗室成果不意味著能工業化製造。”以鄰二胺的電化學合成為例,其大量製造需要比較特殊的反應釜,需要後續的工程研究。林松已經在積極推動製作樣本產品,未來和製藥公司合作測試以後,他可能會圍繞這個產品創業。

林松告訴《麻省理工科技評論》中國,未來,這些成果固然能給能源和製藥公司帶來極大利益,但它們更廣泛的意義在於減少化學合成的汙染物,以及減少全球碳排放。對於科技創新,林松強調,很多研究雖然最初並不能直接應用於產業,但從長遠來看,新科技對社會的正面影響是無法估量的。


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