姓名:  张治国
单位:  浙江大学化学工程与生物工程学院
职称:  教授
电话:  0571-87951224-303
E-Mail:  zhiguo.zhang@zju.edu.cn
 
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张治国 教授

      张治国,博士、教授、博士生导师,现任浙江大学制药工程研究所所长。2000和2003年分别获中国药科大学本科、硕士学位,2004年被甄选为德国“德意志学术交流中心博士奖学金生”到德国攻读博士学位,2008年获德国吉森大学有机化学博士学位。基于优异的博士工作,同年获得首届“德国吉森大学培养青年教授Justus基金”,并开始独立科研工作。2012年初通过了浙江大学人才引进绿色通道,进入浙江大学制药工程研究所工作,被聘为副教授,2017年通过浙江大学职称评审,被评为正教授。

      主要从事医药精细化学品的绿色催化和分离新工艺研究,以开发新型的催化剂和催化模式为科研主线,先后主持、参与了国家重点研发计划重点专项、教育部新教师博士点基金、国家自然科学基金等多项课题的科研工作。在国际期刊发表SCI论文50余篇,被包括Science、Nature和JACS等研究论文正面他引1000余次,申请专利30多项。目前担任浙江省化工学会常务理事/副秘书长、浙江省化工学会医药化工专业委员会主任、ACS Catal.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、Org. Lett.、Sci. Rep.等国际期刊的特邀审稿人。荣获国家技术发明奖二等奖(2018)、侯德榜化工科学技术青年奖(2017)、浙江省151第三层次人才(2017)、浙江省科技进步一等奖(2014)和浙江大学求是青年学者(2013)。

      面向医药化工生产过程中催化剂毒性大、反应条件苛刻和后处理繁琐等挑战性难题,长期致力于开发高效、高选择性和环境友好的新型催化材料,以有机分子活性位点“氢键-静电-微纳结构”多尺度调控为主线,成功研制出一系列氢键供体型、离子对型和微纳结构型的有机分子催化材料,实现了多种天然产物和关键医药中间体制备过程中昂贵或毒性较大金属催化剂的有效替代,开发了关键医药中间体生产制备工艺。近五年来,在本领域权威期刊上发表SCI/EI收录论文74篇(其中第一作者和通讯作者论文25篇),单篇最高IF=25.809,论文近五年累计被包括Science、Nature、JACS等期刊正面他引1662次。已授权发明专利29件,其中近五年授权发明专利20件。

      主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、教育部新教师博士点基金等多项课题的科研工作。荣获国家技术发明奖二等奖(2018)、侯德榜化工科学技术青年奖(2017)和浙江省科技进步一等奖(2014)。目前担任浙江省化工学会常务理事/副秘书长、浙江省化工学会医药化工专业委员会主任、ACS Catal.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、Org. Lett.、Sci. Rep.等国际期刊的特邀审稿人。

      近年来,主要研究成果如下:

1、提出了阴离子识别协同催化策略,实现了温和条件下惰性化学分子或惰性键的高效转化,解决了有机分子催化领域催化效率低的难题。医药化工生产原料通常包含惰性分子或惰性化学键,如何在温和条件下活化这些惰性化学分子或惰性键是现代化学工业面临的关键科学问题。新型催化材料的开发是解决上述难题的有效途径。

利用氢键供体的精准调控能力和阴离子识别协同催化原理,以天然产物和关键医药中间体的高效制备为切入点,开展了系统研究工作,成功研制出一系列氢键供体型和离子对型有机分子催化材料。

(1)针对有机分子催化效率低的难题,基于超分子化学、生物化学和有机分子催化提出“阴离子识别协同催化”策略,利用有机离子对中阴、阳离子形成的网络协同催化羰基化合物的硅腈化反应,通过阴、阳离子的组装和调控,构建了有机离子对在无溶剂条件下的高效催化反应体系,攻克了有机分子催化效率低的难题,在重要药物中间体腈醇的制备中获得了有机催化领域前所未有的TOF值(>107h-1)(Scientific Reports,2017),实现了腈醇类关键医药中间体的高效绿色制备。


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(Sci. Rep. 2017, 7)

(2)基于阴离子与布伦斯特酸协同催化原理,利用电荷高度离域化的阳离子与丰富多样的阴离子开发了首例质子型有机离子对型催化材料,实现了温和条件下二氧化碳作为C1资源制备五元环碳酸酯的高效催化转化(ACS Sustainable Chemistry & Engineering,2017),揭示了惰性分子或化学键温和转化的反应机理。该催化剂也是为数不多的被报道用于催化低浓度二氧化碳气体转化为环碳酸酯的例子。

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(ACS Sustainable Chem. Eng.2017, 5, 2841-2846)

(3)围绕医药化工行业降低成本、减轻环境污染和可持续发展等方面的要求,利用简单易得的硫脲衍生物和二氧化硫脲有机分子为催化剂,以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(还原态)类似物二氢吡啶酯为氢源,催化还原结构多样的芳香类杂环化合物骨架,如喹啉、苯并恶嗪和苯并噻嗪等(Catalysis Letters, 2017),有效替代了传统的昂贵或者毒性较大的贵金属催化剂,降低生产成本、减轻环境污染。相关研究工作被ChemInform作为亮点进行了评述,称这种方法简单方便的实现了多种喹啉衍生物的氢化(A variety of quinoline derivatives is very simply and conveniently hydrogenated using Hantzsch ester as the hydrogen source)。

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     (Catal Lett, 2017, 147:1673–1678)

(4)通过硫脲类氢键供体与氧化试剂如叔丁基过氧化氢作用,实现了四氢异喹啉衍生物与多种前亲核试剂的交叉脱氢偶联反应(CDC),丰富了四氢异喹啉类生物活性分子的结构多样性,并运用核磁共振、同位素跟踪等实验手段揭示了有机分子催化CDC的反应机理,有效解决了传统过渡金属催化剂价格昂贵、稳定性差和毒性大等问题,为在环境友好、经济实用条件下制备四氢喹啉类化合物提供了新途径,实现了具有抗癌活性杂环生物碱的绿色制备(European Journal of Organic Chemistry, 2016;Tetrahedron, 2017)。

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(Eur. J. Org. Chem.2016, 3939–3942)

研究成果获得国内外同行的高度评价和广泛引用,著名化学家、美国科学院院士、哈佛大学教授Jacobsen等知名教授在Science、Nature等顶级期刊上引用我们关于阴离子识别协同催化相关文章达900余次,多种关键手性中间体制备借鉴了我们提出的阴离子识别协同催化策略,以上工作获得国家自然科学基金的资助。此外,研究成果对医药化工中间体的绿色、高效制造具有重要指导意义。在原创性研究工作基础上,开展了相关的医药化工中间体制备及分离研究工作,开发了几条关键医药中间体生产制备工艺,授权发明专利4项,相关成果获2014年度浙江省科技进步一等奖。

2、提出有机分子催化材料微纳化策略,成功构建具有多活性位点的微纳有机分子催化材料,实现了多种医药关键中间体的高效制备。针对医药化工实际生产中缺乏高效催化材料、难以实现催化剂高效分离与循环利用等关键问题,在有机分子催化剂开发的基础上,基于有机分子催化剂和纳米催化剂优势,创新地将催化活性位点通过后修饰、自组装等手段引入多孔固体材料中,构建具有微纳结构的有机分子催化材料,在保持高催化活性的基础上,实现催化剂的回收利用,为一些重要医药关键中间体的高效制备提供了新策略。

(1)以体内的金属化酶为蓝本,设计Lewis酸和Br?nsted酸双位点微纳结构仿生MOF催化材料,以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(还原态)类似物二氢吡啶酯为还原剂,实现了亚胺类化合物的温和转移氢化反应,制备了重要的医药中间体氰醇类化合物,通过简单的化学反应,氰醇可以进一步转化为α-羟基酸、β-氨基醇等。体系普适性强、反应条件温和、催化剂循环利用性能优异,通过催化剂构效关系的研究,提出了不饱和金属位点活化醛底物的催化循环机理(ACS Applied Materials & Interfaces, 2017)。


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(ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 9772-9777)

(2)以紫外光响应的纳米级二氧化钛为模板,利用纳米金表面等离子共振特性,构建了负载型纳米级金钯合金催化剂,获得可见光谱响应的催化铃木偶联反应的新材料,为直接利用可见光制备医药关键中间体提供了一种更加清洁、高效和可持续的反应模式(Nanoscale, 2017)。

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(Nanoscale, 2017, 9, 6026–6032)

(3)利用多孔微纳材料为载体,构建了负载型纳米级铂催化材料,实现了喹啉氮氧化合物的选择性合成,利用材料多活性位点协同催化多步串联反应,实现了简单起始原料的高值化转变。通过合理设计材料结构,控制官能团选择性还原获得不常见的喹啉氮氧化物,其具有明显的抑制肺癌细胞增殖活性。

(4)利用固体核磁、同步辐射、原位电镜等先进分析手段原位跟踪反应历程,解决了微纳有机分子催化材料催化机理难以原位跟踪的难题。采用原位魔角旋转核磁共振技术等对Pd微纳化材料催化串联反应机理进行了细致研究,通过动力学监测及活性中间体检测,发现了不稳定的关键中间体,得到了各中间体结构及浓度变化等重要信息,确立反应级数、建立了材料催化串联反应网络。在对反应机理深度理解的基础上,进一步调控催化剂,实现了喹啉或四氢喹啉产物的选择性制备。研究工作对于深入认识催化反应机理、选择性制备特定目标产物具有十分重要的指导意义。以上工作获得国家自然科学基金和国家重点研发计划专项的资助。

这部分工作不仅更新了有机分子催化材料的设计理念,而且为一些重要的药物分子及中间体和具有潜在生理活性功能分子制备提供了新途径。研究成果被同行广泛借鉴引用,对本学科领域的发展具有重要的推动作用,同时也为具有自主知识产权化工医药产品开发提供技术基础,相关成果获2018年度国家技术发明奖二等奖。



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