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化物所的核磁共振研究回顾

韩秀文

结构化学早在1962年就被列入中国科学院大连化学物理研究所(以下简称化物所)十年发展规划中拟建立的6个学科领域之一。所里先后成立了质谱和红外等题目组。

20世纪70年代末期,时任所长、有机化学家顾以健和副所长郭和夫意识到结构化学对有机化学和络合催化研究的重要性,于是在二室组建了“结构化学”题目组,由胡皆汉任组长,先后装备了红外、顺磁共振和紫外等仪器,并从美国进口了化物所第一台傅里叶变换的核磁共振波谱仪(FT-80A),结构化学组初具规模。

同时期,我被调入结构化学组负责核磁共振工作。除了谱仪本身,还需要建立完备的冷却水系统。时任所党委书记王坪亲自领导、组织和安排安装条件的准备及接待工作,组里配备了高水平的仪器维修人员,安装和验收工作十分顺利。

1981年,我们与北京师范大学教授王金山合作,首先在国内开展了二维J谱核磁共振及13C晶格弛豫研究,并承担了胡皆汉主持的国家“七五”科技攻关项目和国家自然科学基金课题,开展了有机物、络合物结构确定、反应机理以及金属多核核磁共振研究,确定了百余种未见文献报道的新化合物的分子结构,为所内外的合成化学研究作出了积极贡献。

1987年初至1988年,我赴瑞士、西德进修,学习和掌握了现代脉冲NMR理论和二维核磁共振实验技术。1988年以后,北京药物所引进了国内第一台500兆超导谱仪,中科院兰州化学物理研究所和兰州大学先后装备了400兆超导谱仪,我应邀担任它们的核磁共振指导和顾问。而此时化物所FT-80A谱仪的功能已远远不能满足研究的需要了。从我进修学习回国到1996年长达8年的时间里,在所里没有高场超导谱仪的情况下,我们还是一直活跃在国内高场和现代脉冲NMR研究领域。利用上述研究所的谱仪,我们坚持从事二维NMR波谱学研究,完成科研项目。香港中文大学教授欧阳植勳让我们无偿使用他们的高场液体和固体高分辨谱仪长达1年之久,使我们完成了与日本大INK公司的国际合作项目;1995年 L. Frydman 建立了多量子魔角旋转方法,1996年我们在欧阳教授的实验室里成功实现了SAPO-34的3Q-MAS谱,如今该方法已经成为我们实验室催化剂研究的常规方法。

1991年,我作为中国科学院“生命过程中的化学问题”考察团成员(团长是原上海有机所所长、时任科技部副部长惠永正),赴美国考察了美国Scripps研究所、美国碳水化合物研究中心等化学研究所,哈佛、麻省理工、斯坦福、伯克利等十多所美国著名的大学化学系和著名化学公司研发部。其中美国著名的有机化学家K. Barry Sharples在Scripps的实验室给我们留下了深刻印象,他的不对称合成研究结果于2001年获得了诺贝尔化学奖。在这次考察中,我们认识到美国的化学研究已全面转向生命过程中化学问题的研究。

随后,惠永正主持启动了“九五”攀登预选项目“生命过程中主要问题研究”。1992年初,化物所所长袁权主持了“生命科学和生物技术中的化学和化工问题学术报告会”。这次报告会和1991年的考察,对于在化物所开展生命科学和生物技术中的化学和化工问题研究起到了促进作用。

1996年,催化基础国家重点实验室装备了固液两用超导核磁共振谱仪(DRX-400)。随后,所里将结构化学组进行整合,我被调入催化基础国家重点实验室包信和研究组。我们采用固体高分辨核磁共振技术,开展了多相催化剂结构、性质、催化过程及催化机理的原位核磁共振研究。

化物所的核磁共振波谱研究工作一直得到国内同行的高度评价。2002年10月,化物所承办了第十二届全国波谱学学术会议。这是一次盛况空前的全国波谱会。会议期间,K.Wüthrich因建立生物大分子溶液结构的核磁共振方法而荣获2002年度诺贝尔化学奖的喜讯传来,这是继Bloch、Purcell(1952年)和R. R. Ernst (1991年)之后,核磁共振方法学发展以及应用研究第3次获得诺贝尔奖,是核磁共振发展史上的又一里程碑。2003年,P. C. Lauterbug 和 S. P. Mansfield因核磁共振成像的发现和应用又一次获得了诺贝尔奖。这充分说明了核磁共振波谱学在生物大分子和药物分子结构测定以及化学、物理学、生物学和医学的应用中发挥了巨大作用。会议期间,包信和所长邀请了叶朝辉院士等近20位全国波谱学专家,为化物所核磁共振谱仪的配备献计献策。专家们一致认为,针对化物所的多种学科,需要装备多台液体和固体高分辨核磁共振谱仪。

2003年,实验室装备了一台400兆宽腔固体高分辨核磁共振波谱仪(Infinityplus 400 WB),我们还成功地实现了DRX-400谱仪的带磁场搬移,建立了新的核磁共振实验室。

2001年我应我国台湾地区“中研院”原分所教授刘尚斌邀请访问该所,学习129Xe NMR方法。随后包信和指导设计了催化剂脱水、吸附装置,在实验室建立和开展了129Xe NMR研究多孔材料孔结构的实验。

2004年底,所里引进院“百人”张维萍,在包信和的大力支持和刘尚斌的帮助下,我们建立了原位连续流动超极化129Xe NMR装置。在国家“973”项目“甲烷无氧芳构化”课题中,我们成功地创建了原位研究高温催化反应过程的核磁共振新方法。该项目实现了甲烷芳构化理论和技术的新突破,获得了2005年度国家自然科学奖二等奖。这期间我们培养了多名硕士和博士研究生,他们有些现已成为杰青、教授、研究员,活跃在国内外科研和教学岗位上。

2011年,包信和与刘中民团队联合装备了600兆固体NMR谱仪(AVANCE III 600MHz)。同年3月20日,包信和主持举行了“600兆固体NMR谱仪启用和固体核磁共振在催化材料中的应用”研讨会,叶朝辉院士等近20位全国固体核磁共振专家作了精彩的学术报告,大家进行了热烈的讨论和交流,这对我们开发600兆固体NMR谱仪的功能用于催化研究起到了很好的促进和推动作用。

2017年,化物所从国外引进侯广进博士,成立了“固体核磁共振与催化化学组”创新组,中科院的修购计划为化物所装备了800兆固体NMR谱仪,化物所的固体核磁共振实验室已成规模。核磁共振研究骨干和研究工作已圆满完成了新老接替。

2019年6月12日,“中国科学院磁共振技术联盟”成立,武汉物理与数学研究所和化物所等十所优势学科单位成为首批成员所。

从1980年至今,我从事核磁共振波谱学研究近40年,从第一台电磁铁80兆谱仪,到现在所平台和各研究室的液体和固体高场超导核磁共振波谱仪已达9台,化物所研究工作的发展真是突飞猛进,永磁铁和电磁铁谱仪早已成为历史“文物”。化物所核磁共振波谱学的发展仅仅是所发展史中的一个小亮点,是化物所百花园中的一朵小花和一片绿叶而已。我为能成为化物所大海中的一滴水,为所的发展贡献了自己的一点微薄之力而深感欣慰。

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