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原标题:中国首位全球元素代言人讲述元素与周期律的故

浏览次数:90 时间:2019-11-24

“我为硫元素代言!”
中国科学家全力推进“硫化学”研究

【环球网科技综合报道】今年是元素周期表诞生150周年,也是联合国确定的“国际化学元素周期表年”。4月14日,“元素有序,万物无穷——遇见元素周期表150周年”主题活动在北京科学中心球幕馆中厅举办,讲述元素与周期律不为人知的故事。

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  在化学元素周期表上,原子序数16,这是硫元素的位置。如今,这个元素有了青年代言人——华东师范大学化学系教授姜雪峰。明年是化学元素周期表问世150周年,也是世界著名化学组织IUPAC(国际纯粹与应用化学联合会)成立100周年。为此,近日IUPAC从全球挑选出118位青年科学家作为“元素代言人”。在入选名单中,姜雪峰的头像和硫元素符号放在一起。

■本报记者 甘晓

活动邀请到中国首位元素代言人、华东师范大学教授姜雪峰现场讲述硫元素的前世今生,还为中国青少年首次组队参加门捷列夫国际化学奥林匹克竞赛举行了出征仪式。

2019年是国际纯粹与应用化学联合会成立一百周年,也是联合国确立的“国际化学元素周期表年”。为了庆祝这场化学盛事,IUPAC与International Younger Chemists Network (IYCN) 以“青年化学家元素周期表”的形式,自2018年7月开始到2019年7月从世界范围征集提名,通过每月评选,向世界介绍118位优秀青年化学家,并形成一张“青年化学家元素周期表”。

  得知这一消息时,38岁的姜雪峰正在外地讲课。突如其来的荣誉起先让他觉得有些意外,而后更多是欣慰:当初自己没有追“热点”,坚持选择研究“非前沿”领域硫化学,终于得到了一定的国际认可。

“我为硫元素代言!”在4月14日举行的一场纪念元素周期表诞生150周年的活动上,华东师范大学化学与分子工程学院教授姜雪峰表示。

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这就是传说中的“青年化学家元素周期表”!看!姜雪峰教授在第三排硫元素的位置上

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硫是一种古老的元素,古代人类已经认识到它的特性并加以利用。现代科学也在1777年“实锤”了硫是一种元素。去年,在国际纯粹与应用化学联合会组织的“青年化学家元素周期表”活动中,作为一位“80后”年轻科学家,姜雪峰被遴选为“硫元素代表”。

图:华东师范大学教授姜雪峰

入选的青年科学家将覆盖与化学相关的多种工作岗位和创新领域,代表化学学科在下一个百年的发展方向,体现IUPAC的使命与核心价值观。7月12日,IUPAC在澳大利亚悉尼举行的第25届国际化学教育会议上宣布:华东师范大学姜雪峰教授被遴选为“全球青年化学家元素周期表硫元素代表”。

面向环境需求,深挖非前沿“土地”

这得益于姜雪峰带领团队多年来在硫化学方面开展的工作。此次演讲中,姜雪峰介绍,硫化学面临着有毒、可控性差、兼容性低的科学挑战,以及恶臭、污染环境、不稳定等生产困境。

听“硫”元素代言人讲述,它为啥不可或缺

姜雪峰1980年出生于兰州,家里两代人都从事与化工相关的工作,这样的家庭环境让他从小对化学有一种特殊的感情。“化学反应会发生颜色和形态变化,这让我觉得很神奇,也很喜欢”,这大概就是姜雪峰对于化学的“初体验”。

  翻看姜雪峰的简历,不可谓不惊艳。从研究生到博士后,从中国科学院上海有机所到美国顶尖的生命科学私立机构——斯克利普斯研究所,他分别师从我国著名有机化学家麻生明院士和有机合成界第三代合成大师尼克劳教授。然而,拥有如此“闪亮”背景的青年学者,偏偏选择了硫化学这一相对不太前沿的研究领域。

“恶臭,是许多含硫的无机物的特点,这也导致了全球范围内硫化学研究受限。”接受《中国科学报》采访时,姜雪峰表示。

姜雪峰,以《从化学元素开始,爱上科学》为题揭开了“硫元素”的善意一面。“青年化学家元素周期表”由国际纯粹与应用化学联合会发起,向世界范围征集评选118位优秀青年化学家,截至目前,中国共有三位青年科学家入选,姜雪峰是中国首位入选的“代言人”。

“专业不服从调剂”

  在很多化学研究人员看来,硫化学是个相对“老”的研究领域,相关研究已经很成熟,不如新兴学科那么容易出成果。“硫研究确实不是热点,关于它的研究思路看似清晰,但深度思考后又会发现很多棘手的问题。”姜雪峰说。

为突破硫化学的上述难题,姜雪峰带领团队以“无机硫向有机硫转化”理念,构建“3S”(Smelless、Stable、Sustainable)绿色硫化学。“做到实验室无臭,是开展硫化学研究的基本保证。”姜雪峰告诉《中国科学报》。

姜雪峰告诉青少年,化学的核心是元素,位于第三周期第六主族的硫元素,不仅是一种生命元素,还是现代化学工业的基础。虽然直到1777年硫元素才被发现,但在最古老炼丹著作《周易参同契》中已经有制备硫化汞的记载,如今硫化学已经涉及到光电材料、药物、食品等多个国计民生领域。2016年前200名零售药品中,含硫药物就达到33个。硫在药物中,对药溶可调性、代谢可控性、分子识别多样性等都发挥着重要的作用。

在初中阶段开始学习化学后,姜雪峰对化学的喜爱便一发不可收拾,虽然数理化都经常拿满分,不过在填报高考志愿时,姜雪峰毫不犹豫地选择了化学专业,并且注明“学校可以服从调剂而专业不服从调剂”。“我就是想学化学,我的第一志愿就是化学。”姜雪峰说,家人对于他的选择非常支持。

  一说到硫,人们大都会把它和有毒物质、环境污染联系在一起。的确,工厂硫化物泄露事故并不罕见:2013年法国鲁昂化工厂硫醇泄露、2013年重庆化工厂常年排放臭气遭投诉、2014年美国休斯敦化工厂甲硫醇泄露致4死1伤……这样的事件姜雪峰可以列举出很多。在他看来,很多刺鼻的硫化物具有易氧化的特性,易使金属催化剂失活并终止催化循环,这将严重影响硫化学及相关药物的研究、应用和生产工作。

近年来,鉴于“过硫”这种结构单元的化合物在生命科学、天然产物化学、药物化学、食品化学等领域中扮演着重要角色,姜雪峰团队围绕这一结构单元开展了多项工作。

他还表示,硫化学确实也面临着有毒、可控性差、兼容性低的科学挑战,和恶臭、污染环境,及不稳定等生产困境。为突破硫化学的这些难题,姜雪峰的课题组运用“无机硫向有机硫转化”理念,构建“3S”(Smelless/Stable/Sustainable)绿色硫化学,未来将继续发展无机硫盐转化模式、发展高氧化态硫转化模式,运用绿色化学方法助力自然界硫循环。姜雪峰希望,在科学史中为硫化学书写篇章,在产业链中尤其是药合成中让硫发挥举足轻重的作用。

就这样,姜雪峰进入西北大学化学系,正式开启了对化学的“科研之路”。在本科4年学习中,姜雪峰对有机化学产生了浓厚的兴趣,“有机物就是和生命体有关系的,我很想知道为什么有生命现象,为什么会有病痛,我想了解它的规律,这样才不会惧怕未知,这也培养了我分析化学反应过程背后机理的习惯。”姜雪峰如是说。

  “但世界上专门系统研究硫化学的课题组非常少。”姜雪峰认为,这是当代化学需要直面的问题,必须要有人继续深挖这块非前沿的“土地”。

2015年,研究人员用以两种廉价无臭的含硫“无机盐”亚磺酸钠盐和硫代硫酸钠盐为原料,通过“价态归中”的新策略构建“过硫”结构。2016年,研究人员发展了一类新型稳定无臭双硫化试剂,并通过与各种金属试剂发生氧化偶联构建非对称过硫分子。2018年,《自然—通讯》发表了他们开发的第三代新型的“亲电过硫试剂”,通过该试剂可以方便快捷地获取非对称过硫化合物,这为新型多硫药物的发现提供了重要途径。

姜雪峰还鼓励青少年从事科学研究,要有不放弃、不冒进、步步为营的精神。“科学的美,无以伦比,百转千回,她让我们不再惧怕、不会彷徨,是人类最美丽的追求之一。”

本科毕业后,他以全年级第一的总成绩保送进入中科院上海有机化学研究所,开始了为期5年的硕博连读。在上海有机所,他对化学的认识也更加深入,“我选择了麻生明老师课题组的金属有机方向。”

  所以,对姜雪峰来说,研究硫不是为多发文章或争得更多头衔、荣誉,他把硫化学视为今后十几年、甚至几十年的工作目标,首选的切入点就是解决硫化物的污染问题。

据姜雪峰介绍,研究团队开始围绕二氧化硫的转换开展研究。“二氧化硫在有机功能分子里非常重要,比如药物中‘砜’的结构,看起来好像是通过二氧化硫嵌入,如果我们能把空气中的二氧化硫转换成药物中的重要功能分子,就可以变废为宝了。”他说。

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对化学的新理解

  “硫化物是许多重要药物不可或缺的组成成分。倘若为了治愈100位病人合成某种药物,却因此导致环境污染,进而提高了1000个健康人的致病风险,那一定不是可持续发展之道。”

未来,他希望,能将硫化学应用在更多的领域,同时在应用中不断发现新的化学规律。

图:北京大学化学与分子工程学院副研究员蒋尚达

2008年博士毕业后,姜雪峰选择到美国圣地亚哥的斯克利普斯研究所做博士后研究,作为美国顶尖的生命科学研究机构,斯克利普斯研究所里有多位诺贝尔奖得主。姜雪峰可以与世界顶级学者经常见面,当面探讨问题。姜雪峰选择了天然产物全合成领域,“我在上海有机所学到的各种知识在这里都得到了充分的运用,就像原来是一个一个孤立的零件,在这里需要学习整合组装成一个机器人。”

自小与化学结缘,一切从热爱开始

此次活动以“元素有序,万物无穷——遇见元素周期表150周年”为主题,系由北京科学中心主办、北京科技报|北科传媒承办的科学咖啡馆系列活动。

150年,元素周期表都经历了什么

在“十九元环内酯天然产物合成”研究项目中,他的导师、被称为“天然产物合成之王”的尼科拉乌教授将研究任务分成了4份,由来自英国剑桥大学、法国巴黎大学、美国佛罗里达大学的学者和姜雪峰4人分头进行,姜雪峰通过自己的努力逐渐成为整个研究的带头人,并最终攻下了全部的关键实验。2011年,研究成果发表在了《德国应用化学》上,姜雪峰是该文的第一作者,《自然化学生物》杂志高度评价了项目的意义。

  姜雪峰自小便与化学结下了不解之缘。他出生在甘肃省兰州市,是家中独子。他的爷爷应国家号召,支援大西北来到兰州,姜雪峰的父母都在兰州市西固区从事与化工发展相关的工作。

《中国科学报》 (2019-04-19 第3版 综合)

很多人提起化学,首先想到的就是“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……”这张元素周期表。不过,人类对元素周期规律的认识并非一蹴而就。北京大学化学与分子工程学院副研究员蒋尚达以《从正多面体到元素周期律》为题,讲述了元素周期表经历的发展节点。

美国的求学经历让姜雪峰对化学产生了新的理解,“在美国,学者会强调化学和生物学打通,和材料学打通,和物理学也要打通。随着人类需求的丰富,学科的界限应该越来越模糊,前沿科学家应该有广博的知识。即使我研究硫化学,也要熟知其他学科的需求,从而带来新的解决思路。”

  姜雪峰从小在这种环境下耳濡目染,“感觉喝的黄河水都带有‘化学科学’的味道,对化学、化工有种说不出的感情”。

他告诉青少年,中西方对古典元素说有不同的态度,古希腊哲学家将正多面体与元素联系在一起,而中国最早的元素说则是从五行学说开始的。近代原子论和分子论的发展,逐渐探寻到元素的本质,也为发现元素之间的规律奠定了基础。

为“硫”除臭

  于是在高考报志愿时,姜雪峰毫不犹豫地选择了化学专业,并注明学校服从调剂但专业不服从调剂。当时这种情况很少见,因为很多人都不想学化学。但考试结果出来,他并未考入理想中的大学,而是被调剂到了西北大学化学系。当时父母和一些亲友希望他复读一年再考。但姜雪峰考虑到虽然学校不够理想,但专业还是他喜欢的,而且西北大学的化学研究十分扎实,最后还是决定入读西北大学。

1869年,35岁的门捷列夫发表了为63种元素排序的元素周期表,并为预测的未知元素留下空白位置。这个发现影响至今,但门捷列夫却并未因此获得诺贝尔奖。

在美国的博士后研究工作结束后,姜雪峰毫不犹豫地选择了回国工作,“我在出国之前就想得很明白,我是一定要回来的,民族和亲情都让我无法割舍。”

  2011年,完成博士后研究工作的姜雪峰来到华东师范大学化学系。此后,他带领团队扎根“传统”领域——硫化学,将低附加值的无机硫向高附加值的有机硫转化。

蒋尚达介绍说,“原子量的测定也有中国人的贡献。中国科学院院士张青莲先生晚年从事同位素质谱法测定原子量的研究,测得的铟原子量被国际采用为新标准,是国际上第一次采用中国测定的原子量数据作为标准数据。”

姜雪峰说:“刚从美国回来时,确实有点眼花缭乱,有的领域很好发文章,但我还是想选择一个可以研究20年、30年,甚至一辈子的领域,刚开始我也尝试过其他的研究方向,后来才逐渐地明晰了硫这个研究方向,是因为我觉得它的研究迫切性更强烈。”

  此后7年的时间里,他和团队创造性地提出在硫中引入“多功能面具”基团。他形象地说,就像为调皮的硫戴了个可控的“紧箍咒”,防止其在合成过程中出现散发臭味、毒化金属催化剂等问题。

通过讲解元素和周期律的发展,蒋尚达还为青少年提出了“归纳总结是科学创新的重要源泉”“永远不要人云亦云,敢提出自己的观点,但前提是充足的文献调研、扎实的实验证据、缜密的逻辑推理”等科学研究小提示。

已经被学界深入研究的“硫”还有迫切需要解决的问题?姜雪峰说:“是的!”在他心里,对硫进行深入研究的种子早在硕博学习期间就已经埋下了。他回忆说,那是因为“硫”的气味实在太难忘,如果做了硫的实验,硫的气味甚至会在衣物上存留一两周之久,导致同学们都躲着他走,所以印象极为深刻。

  在采访结束时,回忆起过去7年的经历,姜雪峰对科技日报记者说:“我觉得,青年学者不要盲目追逐热点,而要更多地考虑这个研究方向是否具有科学价值和产业价值。年轻人应该勇攀高峰,找‘硬骨头’来啃,去承担别人不敢做的课题。”

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此外,在化学研究领域,硫也是非常棘手的东西,“它会毒化金属,影响金属催化的效率,甚至导致不反应、不发生转化,这些原因导致在学界中硫化学一直处在比较尴尬的境地,属于缓慢发展的小众研究领域。”姜雪峰认为,这种尴尬只是表面上的,实际上硫是一种非常有用的元素,它不仅是人体中不可缺少的常量化学元素之一,也是构成氨基酸的重要组成部分;同时,它广泛存在于有机光电材料中,比如现在比较常见的LED灯;而在药品中,比如青霉素、头孢等消炎药中都含有硫;含硫的食物也非常多,比如气味不好闻的大蒜和洋葱,大蒜素的活性成分就是硫,也正是因为硫,大蒜素的抗氧化能力特别强。

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图:第53届门捷列夫国际化学奥林匹克竞赛中国青少年挥旗出征

“很反感但又绕不开,这不就是我们应该做的事情吗?做科研本身就应该迎难而上,我们的研究就是希望建立方法来为‘硫’除臭,让它从灰姑娘变为白雪公主。”姜雪峰说,“这是将‘硫’确立为自己科研方向的最初的想法。”

记者|龚 雨 王 春

值得关注的是,活动现场还举行了第53届门捷列夫国际化学奥林匹克竞赛中国青少年出征仪式。

“3S绿色硫化学”

来源|科技日报

据了解,门捷列夫国际化学奥林匹克竞赛是三大国际化学赛事之一,是世界青少年最高级别的科学技术竞赛项目之一。今年,来自中国的青少年将首次参加这一赛事。

2015年前后,对“硫”的研究开展了三年多,姜雪峰发现,自己的研究豁然开朗起来,“就像在一座废气的老矿里发现了新的洞天,突破最初的障碍之后,硫化学的多元性在不断地被挖掘。”

编辑|吴潇岚

此次出征的带队老师姚晨曦表示,参赛的四位同学从高一开始就有化学竞赛的训练,现在每天会进行竞赛知识、实验设计和操作的相关集训,争取以最佳状态出战。

目前,姜雪峰课题组运用“从无机硫向有机硫”转化的理念,构建起了“3S绿色硫化学”的全新硫化学体系,在他看来,取得硫化学研究的突破是一种幸运,也是姜雪峰的勤奋所至,在面对挫折、面对看起来没有太大希望的未来时,他还能坚守下来,而这确实是值得他花一辈子去研究的领域。

据悉,本次出征的同学们都来自同一所中学——北京市陈经纶中学。该校校长牟成梅表示,孩子们对化学有浓厚兴趣,为此而努力学习。本次出赛成绩并不重要,重要的是孩子们在参赛过程中体会努力和奋斗的过程。这次机会,将对他们未来的学习及科研的严谨态度有深远影响。

近年,姜雪峰发表独立通讯论文60多篇,外文邀请专著6章,申请发明专利43项,已授权21项,并数次受邀出席各种国际会议。正是这些年在硫化学上的坚持和突破,让国际化学界注意到了姜雪峰,从而让他来代言硫元素。回首往事,姜雪峰感慨道:“每一次人生面对选择时我都会有不一样的感受,但心里种下的对化学的好奇和热爱却从来没有改变过。”

姜雪峰共发表独立通讯论文60多篇,外文邀请专著6章,申请发明专利43项,已授权21项。

2014 年,姜雪峰作为亚洲五名代表之一应邀参加在塞浦路斯举行的欧洲化学会第六届青年有机化学家论坛并作邀请报告。

2015年,受美国有机化学家Eric Block教授邀请,姜雪峰作为大会主席之一共同组织了美国化学会泛太平洋有机硫化学会议并作会议邀请报告。

2016年,姜雪峰受德国有机化学家Wolfgang Weigand教授邀请参加了在德国举行的第27届国际有机硫化学会议并作大会邀请报告。

2017年,受Springer邀请作为主编组织撰写《Sulfur Chemistry》工具书。2018年,姜雪峰受邀担任《亚洲化学》Guest Editor of Homogeneous Catalysis from Young Investigators in Asia 。

2018年,姜雪峰担任International Symposium on Main Group Chemistry Directed towards Organic Synthesis (MACOS)国际顾问和并作邀请报告。

未来化学体系将更为精细和绿色

记者:什么是“3S绿色硫化学”?现在的研究进展如何?

姜雪峰:“3S绿色硫化学”是对传统硫化学的一种反转,是全新建立的硫化学,是从源头开始提出一个全新标准的硫化学,3S指无臭、稳定和可持续发展,它代表着硫化学未来的方向。一个传统的观念要扭转还需要时间,传统的观念对这一块还是有误解和不认知,从实验室到工厂也还有过程,科研不是一蹴而就的,认知是螺旋式的,每一次感觉像是倒回到了原点,实际都是在不同的研究高度上重新优化、改造建立的模型。“3S绿色硫化学”要真正获得国家和世界更广泛的关注,就要解决未来在工业和产业上运用的问题,目前我们有不同的研究小组在跟进医药产业、农药产业、有机材料和香精香料产业等,我也有一半的时间都花在和产业的沟通上,但产业的改进是有周期的,有的还需要等待,还需要进一步挖掘硫化学的本质。

记者:大众其实有点谈化学色变,很多时候化学和污染相伴相生,在你眼中,未来的化学是怎样的?

姜雪峰:谈化学色变,其中有大众对化学的误解,其实现代生活的衣食住行有很多都建立在化学的基础上,比如住的房子的涂层、各种各样的药品等等都离不开化学,在人类的发展中,化学也是一直扮演着非常重要的作用,为什么大众会对化学有误解?新一代的科学家也要反思,化学在带来科技进步、给大众的生活带来便利和美好的时候,确实存在废水、废气等污染的问题,一些化学反应确实是有污染的。原来建立的科学体系可能需要重新审视,需要重新建立一套新的标准体系,尤其是化学体系,新的体系将更为精细和绿色,新旧体系的转换是一个循序渐进的过程,也希望能有更多的人可以认识到这一点。

记者:关于硫,有什么可以让大众有直观感受的前沿的科学探究吗?

姜雪峰:比如说,空气的四大污染物之一就是二氧化硫,然而二氧化硫在有机功能分子里是非常重要的,比如药物中砜的结构,看起来好像是通过二氧化硫嵌入,如果我们能把空气中的二氧化硫转换成药物中的重要的功能分子,那就可以变废为宝了。

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