化学学科简介

  我校化学学科于1970年开始招生,1998年和2006年分别获得有机化学和物理化学二级学科硕士学位授予权,2010年获化学一级学科硕士学位授予权,2009年被国务院学位委员会确立为新增博士学位授予单位立项建设支撑学科。并拥有应用化学、化学工程与工艺两个相关二级学科硕士学位授权点。有机化学为湖南省"九五"、"十五"和"十一五"重点学科,在"十一五"验收中获得"良好"成绩。化学学科于2011年评为湖南省"十二五"重点学科。化学专业为国家特色专业,材料化学为省级特色专业,化学工程与工艺为卓越工程师教育培养计划专业; 相关本科专业有材料化学、应用化学、化学工程与工艺等。有机化学教学团队为省级教学团队,有机化学、物理化学和量子化学(研究生)课程为省级精品建设课程。拥有"理论化学与分子模拟省部共建教育部重点实验室"、"分子构效关系湖南省普通高校重点实验室"等科研平台。拥有湖南科技大学-中盐湖南株洲化工集团卓越工程师人才培养校外实践教育基地(教育部)、化学与生物科学类专业大学生创新训练中心(省级)。

  本学科经过多年的建设和凝炼,形成了有机化学、物理化学、分析化学和无机化学等四个稳定的研究方向,特别是形成了以分子构效关系为主线的基础化学与材料、药物化学和生命科学于一体的研究特色,在国内外具有一定的影响。

  本学科目前拥有一支结构比较合理、团结协作、协同创新能力强的学术队伍。现有教学科研人员66人,其中教授29人,副高职称人员20人,博士54人,博士生导师4人(其中兼职3人),硕士生导师45人,国务院政府特殊津贴专家1人,教育部新世纪人才1人,湖南省跨世纪学术和技术带头人1人,湖南省121人才工程入选者4人,湖南省普通高校学科带头人2人,湖南省青年骨干教师9人,湖南科技大学"湘江学者计划"特聘教授2人,具有海外科研工作经历者7人。

  自2011年以来,本学科共承担各类科研项目75项,累计经费1809.5万元,其中国家自然科学基金课题19项、国际合作项目1项、科技支撑计划子课题1项,其他省部级课题28项、横向项目11项。共发表论文304篇,其中SCI、EI收录195余篇。出版教材3部。获国家发明专利授权37项。转让科研成果项。获湖南省自然科学奖2项(二等奖1项、三等奖1项)。获湖南省高校科技创新团队1个:化学构效关系与功能分子设计合成。

  人才培养规模不断增大,培养质量日益提高。自2011年以来,共招收硕士研究生118人,129人获得硕士学位。与中南大学、湘潭大学等联合招收博士研究生4人,获博士学位4人。获湖南省普通高校教师课堂教学竞赛有机化学一等奖2人、湖南省普通高校现代教育技术二等奖1人。研究生获国家奖学金6人,获其他校级及以上奖励50余人次,2篇硕士论文被评为湖南省优秀硕士论文。研究生在国内外学术期刊上发表论文151篇,其中SCI、EI收录91余篇。本科生获全国大学生"挑战杯"三等奖1项,湖南省"挑战杯"特等奖1项、三等奖1项; 获第八届"挑战杯"中国大学生创业计划竞赛银奖1项、湖南省第五届"挑战杯"大学生创业计划竞赛金奖1项。获湖南省大学生化学实验技能竞赛一等奖1项、二等奖2项、三等奖1项。

  目前,本学科的实验室面积达5000多平方米。拥有液质联用仪(UPLC/HR MS)、核磁共振波谱仪(500MHz)、X-射线单晶衍射仪、扫描电镜、微量热仪、扫描探针显微镜、圆二色光谱仪、气质联用仪(GC-MS)、液相色谱仪、气相色谱仪等一批先进大型仪器,设备总值达4285.95万元,其中10万元以上设备达48台套,累计价值3260.5万元。基本满足了科学研究的需要。

  本学科非常重视与国内外同行的学术交流与合作,积极邀请国内外相关研究领域的著名学者专家来讲学。派遣学术骨干到国外访问、合作和学术交流。选派6人到美国、德国、日本等从事访问学者或进修。承办了国家自然科学基金委化学科学部"绿色合成与可持续化学发展战略研讨会"、理论化学高层论坛等,举办学术报告30余次; 积极参加国际、国内学术会议90余人次,曹晨忠、唐子龙、易清风、周再春、龙云飞、李筱芳、刘立华等应邀在相关学术会议上做学术报告。
  
化学学科主要研究方向:

  一、有机化学:主要包括物理有机化学、有机合成化学和应用有机化学三个研究方向,重点就有机化学取代基效应、分子构效方法学和分子结构信息参数提取、生物活性分子的设计与合成、咪唑啉季铵盐类系列缓蚀剂、高分子螯合絮凝剂的设计与合成等方面进行研究,并取得很好进展。

  物理有机化学:提出了"有机同秩列"、"有机同秩物"和"有机同秩异构体"等概念体系。通过单取代烷烃Xi-(CH2)j-H的气相标准摩尔生成焓和电离能的结-构性能关系研究,表明有机同秩物和有机同系物方法是相互独立又互为补充,为有机物结-构性能变化规律的研究开辟了新视角。在分子构效关系的研究中,创造性地提出了激发态取代基常数,建立了定量计算公式,解决了激发态取代基效应的定量表述等问题,从而解决了有机化学中长期存在的由基态取代基参数关联激发态性能的困难,受到了国内外学者的广泛关注。在对称母体结构化合物的谱学性质方面,获得了取代二苯乙烯紫外光谱中取代基效应、溶剂效应的影响规律,化合物XPh(CH=CHPh)nY (n=0, 1, 2) 紫外光谱中取代基效应和重复单元数的共同影响规律。在不对称母体结构化合物的谱学性质方面,获得了4,4’ -氮苄叉苯胺紫外光谱中取代基效应的影响规律,以及其极性桥键碳原子的化学位移中取代基的相互作用规律。研究成果"有机化学极化与立体屏蔽效应及多要素分子结构特征参数的研究"获湖南省自然科学奖二等奖。受《中国科学.化学》杂志的邀请发表关于取代基效应的综述论文一篇。

  有机合成化学:①利用1,3-偶极环加成反应合成了一系列新型N-混杂卟啉类化合物,对合成方法、反应产物与影响反应的条件进行了较为系统地研究,获得了重要结果,特别是在手性金属N-混杂卟啉配合物的合成方面取得重要进展,在著名杂志《J. Org. Chem》上连续发表4篇论文,其中论文"3-(Dialkoxyphosphoryl)-N- confused Phlorin and Porphyrin. Synthesis, Stereochemistry, and Coordination Properties"《J. Org. Chem》(2013, 78, 1354)被选为该杂志的"featured article"。②在生物活性分子的设计与合成方面主要在具有生物活性的含氮杂环类化合物的设计与合成方面取得重要进展,合成了一系列具有良好杀菌活性的新型多取代1,3-苯并噁嗪、N-取代1,4-苯并噁嗪类化合物、卟啉-1,4-二氢吡啶和N-烷基取代3,4-二氢嘧啶酮-卟啉类化合物,考察了化合物结构-活性关系,为创制新型杀菌药物提供一定的理论和实验依据。研究发现TMSCl对1,3-苯并噁嗪类化合物的合成具有很好的催化作用,并且首次将转移催化反应引入1,3-苯并噁嗪类化合物的合成,为该类化合物的合成提供了新方法。

  应用有机化学:系统地开展了新型环烷酸取代咪唑啉季铵盐类系列缓蚀剂、环烷基咪唑啉甜菜碱缓蚀剂的合成及绿色工艺研究、结构-性能研究,该成果已进行成功转让,取得了良好的经济效益和社会效益。针对重金属废水处理中的问题,设计合成了一类兼具絮凝与杀菌双功能的新型聚丙烯酸酯基和聚(氯化二烯丙基铵)基高分子螯合絮凝剂。

  上述领域取得的重要成果主要在《J. Org. Chem》、《J. Phys. Org. Chem》、《中国科学.化学》等杂志上发表论文60余篇,其中被SCI、EI收录30余篇; 获发明专利13项,获国家自然科学基金课题6项。获湖南省自然科学奖二等奖1项。

  二、 物理化学:主要在功能分子设计与合成、催化化学和生物物理等方面展开研究工作,重点针对材料、生命及环境科学等学科领域的物理化学问题开展研究,形成了较为明显的优势与特色,取得如下主要进展。

  功能分子设计与合成:①以现代量子化学计算为主要手段,探索分子结构与性能、分子相互作用的基本规律,建立定量构效关系模型,并用于指导功能分子的设计、合成。以苯并唑系、DNA碱基对等具有质子转移特性的杂环分子为主要对象,系统研究了它们的质子转移反应机理与规律及其激发态行为,获得了苯并唑系、DNA碱基对等质子转移反应机理与规律,为质子转移型光电材料及药物的研发提供了一定的理论基础。根据研究结果设计合成了一系列取代苯并唑类光电材料。研究成果《量子化学计算方法在质子转移反应研究中的应用》获湖南省自然科学奖三等奖。②针对生物医学支架材料的研究热点,开展了水凝胶型"软"支架材料研究。采用仿生法制备了明胶/透明质酸复合水凝胶,研究了水凝胶组成、交联剂浓度、交联时间等对该"软"支架材料的力学性能、表面亲水性、溶胀度、形貌、孔径和生物相容性等性能的影响。采用不同方法方法制备了明胶/BMP微球,将分别携载BMP的水凝胶与微球复合,构建了生物活性因子BMP分步控释体系,为医学支架材料的设计合成提供理论支持。③通过结合细乳液聚合方法和Fö rster非辐射能量转移理论,构建了以聚合物纳米粒子为基体的、具有单一波长激发多色荧光功能的能量转移体系,并获得了该体系中能量转移效率与各荧光团给受体间距离及比例的对应关系; 得到了能量转移效率高、可单一波长激发的一系列复合多色荧光聚合物纳米粒子。

  催化化学:针对绿色合成和环境保护中的催化问题,致力于新型催化剂的制备及应用研究。①合成了N、Fe、H3PW12O40和CdS修饰TiO2复合光催化剂,Keggin型磷钼、砷钼杂多阴离子无机-有机混配超分子化合物光催化剂,镧、钐、铕掺杂TiO2介孔材料的光催化剂,La/TiO2光催化剂,新型含银类可见光催化剂,研究了它们的光催化消除气相有机污染物的活性,获得了它们的光催化消除气相有机污染物的活性与规律。这些工作对新型、高活性光催化剂的开发具有一定的借鉴作用,所得稀土掺杂介孔TiO2光催化剂在环境治理领域有着潜在的应用前景。②合成了一系列新型西夫碱与钴等金属配合物以及它们的负载物,研究了它们对苯、硝基苯、苯甲醇等的氧化反应的催化活性,获得了较好的结果。

  生物物理化学:设计合成了分别具有ruffle、dome和ruffle-like变形特点的三类非平面卟啉,以这三类非平面卟啉及其金属配合物为模型,证实了血红素大环扭曲可调节核尺寸,通过核尺寸的缩放进而调节中心金属的电子结构,从而实现血红素的强催化氧化功能。采用不同修正的泛函方法结合NMR波谱方法,研究过氧钒与取代吡啶、苯并咪唑和取代吡啶酰胺类化合物的配位反应,归纳总结含氮芳香配体与过氧钒反应的有关规律,设计合成了一系列具有潜在抗糖尿病的有机钒化合物。研究了含萘环结构的Salen-稀土配合物的合成及其与DNA的相互作用,研究了系列唑系小分子与血清蛋白的相互作用,获得了良好进展。  上述研究成果在《Macromolecules》、《Chem. Commun.》、《Org. Lett》、《J. Phys. Chem. B》、《Dalton Trans.》等国内外学术期刊上发表论文70余篇,其中被SCI、EI收录30余篇,获发明专利4项。获国家自然科学基金课题6项。获湖南省自然科学奖三等奖1项。

  三、 无机机化学

  在如下几个方面取得了重要进展。

  功能材料化学:本领域主要致力于在新型电极材料研究、降低燃料电池运行成本等方面开展工作,新型燃料电池的电极材料研究与开发一直是这一领域的重点工作。在这一领域取得的进展有:

  ① 在燃料电池阳极的研究方面取得进展。为了降低燃料电池阳极的成本,我们通过水热法、电沉积法或化学还原法,将铂和其它过渡金属形成双金属或多金属复合物,制备出系列含纳米多孔三维网状结构的双金属纳米电极材料,系统研究了它们对甲醇、乙醇、肼、葡萄糖等氧化反应和氧还原反应的电催化活性,研究了电极材料的组成、结构与其电活性间的规律。不仅明显提高了催化剂对甲酸或甲醇氧化的电活性,而且铂的用量明显下降,是新型铂基催化剂研究的重要内容之一。同时,为了寻找能够替代铂的催化剂,我们发现以钯为主体的、对醇氧化具有强的电催化活性的新型阳极材料,即发现Pd-Ru双金属的电极材料,在碱性溶液中,对醇氧化具有强的电活性。

  ② 在新型氧还原反应催化剂的研究开发方面取得进展。燃料电池的阴极反应,即氧还原反应由于它属于动力学控制过程,所以研究、开发新型氧还原反应催化剂,一直是燃料电池研究的重要内容之一。我们制备的基于银纳米颗粒的复合物,对氧还原反应表现出优异的电催化活性,而且在醇存在时其活性能基本保持不变,表明这类新型催化剂对醇具有强的耐受力。

  ③ 在新型燃料电池的研究方面取得良好进展。以我们制备的钯镍复合物为阳极,银钴复合物为阴极,组装了新型的无膜直接醇燃料电池,这种新型燃料电池能够持续、稳定性放电,具有较重要的研究与实际意义。配位化学:设计并合成了一系列具有光学活性、生物活性和催化活性的配合物,对其结构、性能及其相互关系进行了研究,这些配合物包括具有生物活性的水杨醛衍生物Schiff碱与Cu、Mn配合物,具有发光性能的2-取代丁二酸-稀土配合物、2,6-二(对位取代苯甲酰乙酰基)吡啶-稀土配合物、杂芴桥连的双β -二酮-铕配合物、双官能团配体-稀土配合物,具有光催化活性的新型氨基吡啶、氨基嘧啶多金属氧酸盐配合物、多酸-含氮有机分子的电荷转移配合物。

  无机固体化学:制备了双取代负热膨胀材料Zr1-xAlxMoW1-yVyO8及其复合材料并对其性能进行了研究,合成了Cu2O-Al2O3-SiO2伪三元体系,研究了它们高温相行为以及与ZrW2O8的化学反应性能; 其次开展了多孔陶瓷滤料的表面改性及聚结过滤处理油田采出水的研究、用普通粘土制备单组份碱激发水泥的研究、阴-阳离子有机膨润土、壳聚糖改性膨润土的制备以及对重金属离子吸附作用的研究。

  上述研究成果在《Electroanalysis》、《Mater. Chem. Phys.》、《J. Appl. Polymer Sci.》、《J. Solid State chem.》、《中国科学.化学》等国内外学术期刊上发表论文60余篇,其中被SCI、EI收录25篇,获发明专利13项。获国家自然科学基金课题3项,中日国际合作项目1项。

  四、 分析化学:本方向主要针对生命科学分析中的新方法、工业分析与分离技术、化学计量学有等方面开展研究,一年来在如下方面取得了主要进展。  生命科学分析中的新方法: 制备了系列金属纳米材料、量子点及其复合物,发现了材料尺寸、形貌、表面理化修饰与分子识别、分析灵敏性之间的规律,为可控制备高性纳米材料和发展新型传感器提供了物质基础与理论依据。系统研究了基于金纳米棒局域等离子体共振与放大原理,建立了多通量生物传感方法及肺结核、血吸虫等疾病临床分析新方法; 利用核壳型纳米棒等离子共振峰的可调性,建立了研究多种抗原-抗体同时相互作用的多通量的分析方法,利用纳米粒子独特的光电性质建立了免疫标记、无损分析方法。

  工业分析与分离技术: 以工业生产质量控制、环境保护、固体废弃物成分分析、工业废水中重金属分离富集提取与分析等问题为研究重点。研究了聚丙烯酸钠、聚乙烯亚胺和聚季铵盐等聚电解质与钯、铼、钨、钼、钇和铈等稀有金属离子的络合特性,借助超滤膜的筛分作用,探索了不同条件下稀有金属离子与聚电解质的吸附模型,发现稀有金属离子与聚电解质的络合可以采用Langmuir isotherm描述。研究了钯、铼、钨、钼、钇和铈等稀有金属离子与上述聚电解质络合平衡后的恒容超滤行为,获得了了pH值、离子强度、金属离子与聚电解质比、外加盐及竞争络合剂等条件对稀有金属离子截留系数和膜通量的影响规律,探索了稀有金属离子与聚电解质络合过程中的影响因素,优化了工艺条件。系统研究了不同形态金、银纳米材料的条形码生化分析、可视与成像以及共振散射,建立了重金属离子和生物分子的分析新方法。系统研究了量子点荧光探针与电化学生物传感的尺寸效应与方法灵敏度、选择性以及制备重现性和稳定性的规律,建立了相关食品安全检测分析的新方法。

  上述研究成果在《Biosensors and Bioelectronics》、《Chem. Commun.》、《Biomaterials》、《Chem. Engin. Techn.》等国内外学术期刊上发表论文60余篇,其中被SCI、EI收录30余篇,获发明专利2项。获国家自然科学基金课题3项。