他在元素周期表上为硫代言 看这位教授对化学的新理解

2018年07月30日09:00  来源:广州日报
 
原标题:他在元素周期表上为硫代言

  IUPAC官方公布的姜雪峰代言硫元素的照片

  姜雪峰

  “氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……”看到这些,你有想起那张化学元素周期表吗?不过,无论你记得多少,一定还记得其中的硫元素,因为它的气味实在让人“过鼻难忘”。

  华东师范大学有那么一位教授,他誓要通过自己的研究为“硫”除臭,让它从“灰姑娘”变成“白雪公主”,他提出绿色硫化学理论已经在国际上引起反响。最近,他本人被世界上最权威的化学组织——国际纯粹与应用化学联合会(简称“IUPAC”)选为化学元素周期表上“硫”的代言人。

  他就是华东师范大学化学系教授姜雪峰,一位在高考志愿表上霸气注明“学校可以服从调剂而专业不服从调剂”的化学痴男。

  文、图/广州日报全媒体记者周裕妩 实习生邵文清

  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”。

  “专业不服从调剂”

  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。

  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。

  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。”

  对化学的新理解

  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(Scripps)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。”

  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(K. C. Nicolaou)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》(ANGEW)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。

  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。”

  为“硫”除臭

  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。”

  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。”

  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。

  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。

  “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。”

  “3S绿色硫化学”

  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。”

  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。

  近年,姜雪峰发表独立通讯论文60多篇(影响因子大于10的有10 篇),外文邀请专著6章,申请发明专利43项(其中国际专利有2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。”

  未来化学体系

  将更为精细和绿色

  广州日报: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(smellless)、稳定(stable)和可持续发展(sustainable),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。

  广州日报: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。

  广州日报: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。

  小知识

  2019年是国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)成立一百周年,同时,化学元素周期表也将迎来它的150周岁生日,为了给它“庆生”,联合国还宣布2019年为“国际化学元素周期表年”(International Year of the Periodic Table of Chemical Elements,简称IYPT)。

  为了庆祝2019年这两场国际化学界的盛事,IUPAC与International Younger Chemists Network (IYCN)决定以“青年化学家元素周期表”的形式,向世界介绍118位优秀青年化学家,并最终形成一张“青年化学家元素周期表”。入选的青年科学家将覆盖与化学相关的多种工作岗位(科研、教育、科普等)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。

(责编:袁菡苓、高红霞)