著名青年化學家姜雪峰
著名青年化學家姜雪峰
姜雪峰，1980年12月出生于甘肅蘭州，現任華東師范大學化學與分子工程學院教授，博士生導師。課題組(主頁)主要從事新方法導向復雜生理活性天然產物全合成研究，在全合成中尋找需要解決的方法學，在方法學中探究如何綠色全合成。小編在這里整理了著名青年化學家姜雪峰相關資料，希望能幫助到您。
著名青年化學家姜雪峰
姜雪峰共發(fā)表獨立通訊論文60多篇(影響因子大于10 的10 篇)，外文邀請專著6章，申請發(fā)明專利43項(2項國際專利)，已授權21項。
2014 年，姜雪峰作為亞洲五名代表之一(中國唯一代表)應邀參加在塞浦路斯舉行的歐洲化學會第六屆青年有機化學家論壇(6th YIW of EuCheMs-Organic Division)并作邀請報告。
2015年，受美國有機化學家Eric Block教授邀請，姜雪峰作為大會主席之一共同組織了美國化學會泛太平洋有機硫化學會議(2015-Pacific Chem-New Organosulfur Chemistry)并作會議邀請報告。
2016年，姜雪峰受德國有機化學家Wolfgang Weigand教授邀請參加了在德國舉行的第27屆國際有機硫化學會議(27th International Symposium on Organic Chemistry of Sulfur)并作大會邀請報告(中國唯一代表)。
2017年，受Springer邀請作為主編組織撰寫《Sulfur Chemistry》工具書。2018年，姜雪峰受邀擔任《亞洲化學》Guest Editor of Homogeneous Catalysis from Young Investigators in Asia 。
2018年，姜雪峰擔任International Symposium on Main Group Chemistry Directed towards Organic Synthesis (MACOS)國際顧問和并作邀請報告。
這位“80后”教授，先后榮獲中組部“萬人計劃”青年拔尖人才，基金委優(yōu)秀青年科學基金，教育部“長江學者獎勵計劃”青年項目、“新世紀”優(yōu)秀人才和“霍英東”基金，上海市“東方學者”和“科技啟明星”各類稱號;獲得德國Thieme Chemistry Journal Award，日本ACP Lectureship Award，藥明康德生命化學研究獎。
姜雪峰榮獲上海市“五四青年獎章”、上海市青年“崗位能手”稱號;并擔任上海市第十三屆政協(xié)委員、中國青年科技工作者協(xié)會委員，中國化學會青委會委員，中國化學會化學教育委員會委員，中國化學會催化委員會均相催化專業(yè)委員會委員;任《化學教育》編委，Wiley旗下《Heteroatom Chemistry》編委，Taylor旗下《Phosphorus Sulfur Silicon and the Related Elements》編委。
研究概覽及近期代表性成果
姜雪峰教授課題組主要從復雜天然產物全合成的視角來構建一系列獨特、高效、實用的反應方法學體系進而運用構建的方法學體系、試劑、配體實現高效綠色的全合成。并對完成的高活性系列天然產物進行化學生物學機理研究，同時解決藥物化學機制問題。
白堅木屬生物堿是單萜吲哚生物堿中知名度高且重要的天然產物，它們具有良好的生物活性但自然界中豐度低、提取難度大，因而探究其化學合成吸引了許多化學工作者的興趣。2017年，姜雪峰教授課題組從廉價易得的溴代吡喃酮和手性烯胺原料出發(fā)，通過選擇性exo-[4+2]環(huán)加成反應高效構建全氫吲哚骨架(C和E環(huán))，后續(xù)又通過還原/Wittig橋環(huán)開環(huán)串聯(lián)反應、Pd/C氫化串聯(lián)環(huán)化反應和Fischer吲哚化等反應獲得三個白堅木屬生物堿，最后經過簡單的官能團轉化又得到其他11個白堅木屬生物堿，從而實現了該家族天然產物的發(fā)散式合成。
呋喃并喹啉酮和吲哚并香豆素骨架在配體調控下的高效構建[2]
平面生物堿，即沒有手性胺的生物堿，這類化合物具有多種重要的藥物活性，例如從喜樹中提取分離的抗癌藥物喜樹堿，如何發(fā)展高效構建這類結構的方法學是合成化學工作者急需解決的問題。2018年，姜雪峰教授課題組以獨特的視角對呋喃并喹啉酮和吲哚并香豆素這兩類結構差異性較大的骨架結構進行逆合成分析后，發(fā)現它們都具有共同的2-羥基-2′-氨基二苯炔和羰基結構片段。鑒于此，課題組運用PdII為催化劑，借助配體效應、配位電負性以及插羰速率的微小差別，大幅度的扭轉了反應途徑，高效實現多種多并環(huán)結構生物堿的多樣性合成。
引領世界的綠色硫化學研究
除了在天然產物全合成及發(fā)展新穎高效的合成方法學研究之外，近些年姜雪峰教授更加致力于發(fā)展綠色的、環(huán)境友好及可持續(xù)的硫化學研究。2018年7月，第25屆IUPAC國際化學教育會議在澳大利亞悉尼舉行，姜雪峰教授被遴選為“全球青年化學家元素周期表硫元素代表”，標志著姜雪峰教授的硫化學研究獲得國際認可。
姜雪峰教授課題組運用“從無機硫向有機硫”轉化的理念，構建起獨特的“3S綠色硫化學”(Smelless/Stable/Sustainable)，發(fā)展了一系列新穎的綠色硫試劑并解決了它們在水相轉移、可見光催化、綠色氧化等方面的挑戰(zhàn)，值得一提的是，這些獨特的硫試劑及合成方法為含硫藥物的工業(yè)生產及工藝優(yōu)化提供了重要參考，在未來具有廣闊的應用前景。
鑒于多硫化合物廣泛存在于自然界，并且在生命科學、藥物化學、食品化學以及材料科學等領域扮演著重要的角色。2018年，姜雪峰教授課題組在知名雜志Nature Communications上報道了一類新型親電過硫試劑(RSSOMe)，借助甲氧基的“面具效應”使得與其相連的硫原子發(fā)生“極性翻轉”(即RSS+)，再利用甲氧基的電子效應很好穩(wěn)定了硫硫鍵，進而實現了與多種親核試劑間的過硫化反應，為更廣闊的多硫生命現象解釋和多硫藥物發(fā)現開辟了新道路。[3]
工業(yè)4.0時代的綠色硫化學夢想
——專訪華東師大化學學院姜雪峰教授
古往今來，人類都相信地球萬物生長的能量來自太陽。樸素的信念從近代以后找到了科學證據：直至上世紀70年代末，人們一直堅信光合作用是所有地球生態(tài)圈的基石。但一次太平洋東岸Galápagos Rift的深?？瓶?，卻向世人呈現了生命的另一種可能：在漆黑無光的海底熱泉，在幾乎與世隔絕的冰水熔巖生態(tài)圈，如外星生物般的龐貝蠕蟲、管狀水母、鎧甲蝦等物種，在散發(fā)著硫化氫異味的地裂深淵處，千奇百怪卻欣欣向榮地野蠻生長。
自此后，千姿百態(tài)的海底熱泉(hydrothermal vent)在全球各地被發(fā)現。各種板塊邊界、大洋中脊的火山口，難以想象的極端環(huán)境中，許多神奇的微生物從不依賴恒星的光芒，卻只對熱泉噴射的硫化物和重金屬化合物情有獨鐘。利用化學能量自給的硫化細菌與古細菌成就了熱泉食物鏈的底端，為更加復雜高級的生命演化鋪就了另類的舞臺。
硫化物蘊藏著怎樣的能量，可以為生命本源的探索提供不一樣的劇本?硫化學的探索本身，對于生命之謎的闡釋和生命科學的進步，又會綻放出怎樣綺麗的華彩?讓我們跟隨硫化學專家——華東師大姜雪峰教授一同走進奧妙的硫化學世界。
“硫”砂墜簡，書寫生命元素傳奇
藥明康德：硫元素與硫化物質對于生命演化有哪些重要意義?
姜雪峰教授：硫化學對于生命本源的探索有非凡的意義。自然界與銀河系的硫化物豐度并不算高，生命體卻能將各種形態(tài)的硫富集：硫元素并不是生物大分子的主要成分，卻與碳、氫、氧、氮、磷元素構成了人體中六種最為重要的常量元素。硫元素之所以成為重要的生命元素，是因為其在核酸和蛋白質分子形成、血氧傳輸、人體能量代謝等大量生命現象中的生化反應中充當還原劑、穩(wěn)定劑。
自然界存在硝化菌、鐵細菌、一氧化碳細菌等多種無光合作用的自養(yǎng)型生物，但它們都無法支撐獨立的生態(tài)圈群落。至今，人類只在海底熱泉的火山口，發(fā)現完全以硫化細菌為食物鏈基礎、與光合作用生態(tài)圈迥然相異的生命體系。很多學者形成的共識是生命的初始舞臺誕生于極端的地質環(huán)境，因為一馬平川的環(huán)境很難產生劇烈的物質轉化與化學反應，只有星球撞擊、板塊運動、地震火山才能孕育豐富的地貌與生命的火花。而海底熱泉的極端生態(tài)，很可能與地球形成的早期環(huán)境類似，無疑是我們探索生命本源的極佳樣本。
硫元素對于人的飲食健康也非常重要。榴蓮、洋蔥、大蒜這些有著“怪怪味道”的果蔬富含硫化物，其實是大自然因地制宜賜予人類的保健品，可殺菌消炎、活血化瘀、促心肺功能、抗血管老化。比如，有兩種重要的硫化物，具有強大的解毒和免疫調節(jié)作用：二甲基砜(MSM)對于鎮(zhèn)痛消炎、疏通血管、促進膠原蛋白合成、促進糖類物質代謝具有重要作用;含有硫巰基的谷胱甘肽(GSH)則具有廣譜解毒功能，也是人體細胞內最重要的抗氧化劑，可通過持續(xù)清除自由基的方式，保護眾多含巰基蛋白酶的活性。
藥明康德：請您介紹一下人類應用硫化學的歷史和現狀各有哪些亮點。
姜雪峰教授：單質硫磺作為一種重要化學材料，很早就被人類發(fā)現并使用，起初應用于熏香漂白、洗發(fā)去屑。中西方許多著名溫泉中都富含硫磺，古代西方一些公共浴池也直接利用硫磺消毒。中國早在先秦時代就開始開發(fā)天然硫磺礦藏，用于四大發(fā)明火藥的制造。
如今，人們更加認識到硫元素價態(tài)豐富，可形成結構多樣的化合物。硫化物是當代許多暢銷藥物中不可或缺的成分：小分子藥物合成中，含有硫元素的基團是抗擊不少病原體的活性位點，比如青霉素、頭孢、磺胺類藥物具有廣譜抗菌作用。同時，過硫鍵廣泛存在于生命體中，和青蒿素中的過氧橋一樣具有多種生理功能，也具備抗真菌、病毒、原蟲的潛在藥用價值;過硫鍵還是抗體偶聯(lián)藥物(ADC)中常用的連接子(Linker)，以綴合大分子抗體與小分子細胞毒性藥物，形成對腫瘤靶細胞的選擇性殺傷作用。
綠色硫化學之路：“面具俠”妙手通關
藥明康德：您認為研究和發(fā)展綠色硫化學的挑戰(zhàn)與機遇有哪些?針對無機硫替代有機硫的綠色試劑，您的團隊還提出了新穎的“面具策略”，請您介紹一下。
姜雪峰教授：不少硫化物(比如硫巰基化合物)散發(fā)強烈的刺鼻惡臭，雖然沒有讓所有化學家望而卻步，但確實使硫化學的發(fā)展、應用和生產受到嚴重阻礙。其實，由于硫的孤對電子化學性質活潑、價態(tài)豐富，也導致易氧化、容易使金屬催化劑失活并終止催化循環(huán)，這些都是橫亙在硫化學研究者面前的嚴峻挑戰(zhàn)。但硫元素對于生命活動、醫(yī)藥和化工研發(fā)意義重大且前景廣闊，我們應有的社會擔當就是要在現階段介入相對初級的研究項目，從而開拓未來的科學新領域和產業(yè)新方向。硫化學研究一旦解決相關的棘手科學問題，就可以同時實現兩方面的突破。
從無機硫到有機硫的轉換看似簡單，但要跨越較多障礙，硫醚、過硫、亞砜、砜、磺胺等化合物的合成都需要不同的價態(tài)思考。我們努力針對不同類型的重要含硫有機物，設計建立幾類多功能硫試劑，并建立起試劑的多樣性使用規(guī)律，系統(tǒng)地打造綠色硫化學轉化體系中的所有硬件和軟件。我們希望逢山開路、遇水架橋，目前已經完成了某些“路基”的鋪設，希望未來這條綠色反應體系的康莊大道能被世界學界和產業(yè)所銘記。
面具策略的主旨即在硫化物反應底物上引入一個“面具”基團，恰到好處地控制該底物的多樣性反應活性?？梢栽跀盗可峡刂啤皢瘟颉?、“雙硫”、“三硫”、甚至“四硫”的引入，還可以在氧化態(tài)上控制引入“硫醚”、“亞砜”、“砜”，針對多官能團藥物修飾的不同需求產生“親核硫源”、“親電硫源”、“自由基硫源”的多樣性功能，以滿足不同藥物的合成與修飾需求。我們繼續(xù)運用“面具”理念，將作為“面具”基團的SO3分子引到裸露的巰基上：SO3分子可對硫原子上的孤對電子產生吸電作用，弱化硫對金屬催化劑的毒化作用(電性要求);SO3分子的大位阻還可掩蔽硫電子軌道并避免其氧化自偶聯(lián)(位阻要求);再者，SO3分子的電子共振效應可調節(jié)硫原子電子流向(共振要求)。這一概念利用無臭綠色硫化試劑，為過渡金屬催化的硫化學帶來了一系列新特性。
藥明康德：這么看來，單獨硫原子引入的一些瓶頸問題已經有了較好突破，那么你前面提到的其他形式的硫呢?
姜雪峰教授： 舉一個“過硫試劑”的例子：傳統(tǒng)過硫鍵構建兩個硫原子分別來自兩種不同的反應對象，不僅限制反應效率和適用范圍，還帶來諸多硫巰基氧化不兼容、毒化金屬催化的問題。我們團隊至今已經設計了四代過硫化試劑，不同的“面具”讓它們各自分別擁有了不同的屬性。然而新的矛盾又再次出現：硫硫鍵鍵能遠低于常見的其他化學鍵鍵能，反應活性極高，此時如何“保持弱鍵，斷裂強鍵”便成了試劑成功使用的另一個挑戰(zhàn)。運用“面具”的電子、立體以及偶極性質，依據動力學與熱力學的交互調控，即可如我們所愿高兼容性引入敏感而有用的“雙硫”。
最近，我們又在過硫結構的外端成功的裝上OMe這個新型的“面具”，從而反轉了電性，獲得了更為廣譜的親電過硫試劑。隨后的試劑使用探索表明，該類試劑可在非常溫和的條件下與各類功能分子作用，獲得與碳親核試劑、氮親核試劑、硫親核試劑的多樣性偶聯(lián)，實現了多種天然產物和藥物的后期修飾，建立了豐富的多硫結構化合物庫。這一過硫試劑的設計與建立，為更廣闊的多硫生命現象解釋和多硫藥物發(fā)現開辟了一條快速通道。期待著“硫循環(huán)”藏寶圖的全面展開。
利用多種策略，我們還對許多藥物進行了無官能團保護的直接后期硫化修飾，從而篩選出多發(fā)性骨髓瘤藥物來那度胺的硫化衍生物，活性遠高于來那度胺本身，且可以應用于對來那度胺無效的淋巴瘤細胞，目前該化合物正在做進一步生物利用度評價。
被夢想叫醒的清晨：相信奔跑的力量
藥明康德：工作之外您還有哪些愛好?對學習科研有哪些正面的促進效果?
姜雪峰教授：我喜歡跑步，長跑會帶來獨特的靈感思辨和感恩頓悟，全年無休風雨無阻地奔跑，在四季變換中感受天地自然的饋贈，冥想每個課題的困惑，感恩父母師友的激勵。痛苦與挫折都是生命的張力，只有酸甜苦辣摻拌才是真實豐滿的人生。不論平凡的你我還是閃亮的名人，都有自己的壓力和挑戰(zhàn)，只要盡力就已足夠。
在一場又一場馬拉松的較量中，一時的快慢和名次并不重要，每一個驛站都是人生的積淀。所以，堅持不懈而不輕言放棄，不應冒進卻要步步為營：有時候當你為某一個科學問題朝思暮想卻無法突破，貌似讀書百遍又回到原點，然而每一次你回到原點的高度都會有所不同，許多科學突破正是通過這種螺旋式的上升來實現。在科研攀峰的過程中，我們既需要不斷制定明晰切實的小目標，也要珍視每一個靈感并在細節(jié)上保持耐心和平常心，即使小失敗也可能是通往成功的道路。
藥明康德：綠色化學的發(fā)展面臨哪些挑戰(zhàn)?您對硫化學的未來有哪些激情的暢想?
姜雪峰教授：化學工業(yè)為社會進步做出了巨大貢獻，然而一些生產帶來的污染和安全風險也日益受到關注。大家對化工產業(yè)缺陷的關注需要理性看待，對缺陷的批判正是推動社會進步的重要因素?？茖W發(fā)展是循序漸進的，創(chuàng)造物質的化學挑戰(zhàn)人類智慧與耐力的極限，要實現全面清潔和安全的合成體系需要不斷地積累和沉淀。
有機合成從19世紀發(fā)展至今，逐步走向成熟的過程卻仍然存在諸多瓶頸問題亟待解決。化學家?guī)缀蹩梢灾苽涑鏊腥祟愊胍男》肿?，然而與功能性相伴的卻是污染與安全風險兩個痛點。如果我們?yōu)榱撕铣赡撤N藥物去治療100位癌癥病人，而導致環(huán)境污染使1000位健康人面臨患病風險，那一定不是可持續(xù)發(fā)展之道。其實社會經濟發(fā)展從粗放到集約的轉變，正需要青年科學家重新審視合成化學的新需求。
多年來試劑綠色化和步驟經濟化始終是我們團隊的宗旨，希望能夠最終構建從無機硫向有機硫轉化的綠色硫化學體系，實現我們對“硫循環(huán)”的全面系統(tǒng)的理解，為打造工業(yè)4.0時代的環(huán)保無污染的醫(yī)藥生產鏈貢獻自己的一份力量。
化學方程式配平方法大總結
1.零價法
用法：無法用常規(guī)方法確定化合價的物質中各元素均為零價，然后計算出各元素化合價的升降值，并使元素化合價升降值相等，最后用觀察法配平其他物質的化學計量數。
【例1】試配平 Fe3C + HNO3- Fe(NO3)3 + NO2 + CO2+ H2O。
分析：復雜物質Fe3C按常規(guī)化合價分析無法確定其中Fe和C的具體化合價，此時可令組成該物質的各元素化合價均為零價，再根據化合價升降法配平。Fe3C → Fe(NO3)3和CO2整體升高13價，HNO3 → NO2下降13價(除了Fe、C以外，只有N變價)。易得 Fe3C + 22HNO3= 3Fe(NO3)3 + 13NO2+ CO2 + 11H2O。
2.平均標價法
用法：當同一反應物中的同種元素的原子出現兩次且價態(tài)不同時，可將它們同等對待，即假定它們的化合價相同，根據化合物中化合價代數和為零的原則予以平均標價，若方程式出現雙原子分子時，有關原子個數要擴大2倍。
【例2】試配平 NH4NO3- HNO3+ N2+ H2O。
分析：NH4NO3中N的平均化合價為+1價，元素化合價升降關系為：
NH4NO3 → HNO3：+1→+5升4×1價
NH4NO3 → N2： +1→0 降1×2價
易得 5NH4NO3= 2HNO3 + 4N2 + 9H2O
3.整體標價法
用法：當某一元素的原子或原子團(多見于有機反應配平)在某化合物中有數個時，可將它作為一個整體對待，根據化合物中元素化合價代數和為零的原則予以整體標價。
例3：試配平 S+ Ca(OH)2- CaSx+ CaS2O3+ H2O
分析：NH4NO3中N的平均化合價為+1價(NH4中-3價，NO3中+5價)，元素化合價升降關系為：
NH4NO3→HNO3：+1→+5升4×1價
NH4NO3→N2：+1→0 降2×2價
易得 2(x+1)S + 3Ca(OH)2 = 2CaSx + CaS2O3 + 3H2O
4.逆向配平法
若氧化劑(或還原劑)中某元素化合價只有部分改變，配平宜從氧化產物、還原產物開始，即先考慮生成物，逆向配平;自身氧化還原反應方程式，宜從生成物開始配平，即逆向配平。
例如：P + CuSO4 + H2O - CU3P + H3PO4+ H2SO4
該反應的氧化劑是P、CuSO4，還原劑是P，以反應物作標準求得失電子數比較困難，但是氧化產物只H3PO4、還原產物只CU3P，所以以1mol H3PO4和1mol CU3P作標準物容易求得失電子數。
答案：11 15 24 5 6 15
5.有機反應的配平法
有機物參入的氧化還原反應，通常首先規(guī)定有機物中H為+1價，O為-2價，并以此確定碳元素的平均化合價。再根據還原劑化合價升高總數與氧化劑化合價降低總數相等原則，結合觀察法配平。
例如：H2C2O4 + KMnO4 +H2SO4- CO2+ K2SO4+ MnSO4 + H2O
解析：H2C2O4中，令H 為+1價，O為-2價，則C的平均化合價為+3價。1個H2C2O4化合價升高數為2，1個KMnO4化合價降低數為5，最小公倍數為10，故H2C2O4的系數為5，KMnO4的系數為2。
配平的方程式為：5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4=10CO2+K2SO4+2MnSO4+8H2O
6.缺項方程式的配平：
如果所給的化學方程式中有反應物或生成物沒有寫出來，在配平時，如果所空缺的物質不發(fā)生電子的得失，僅僅是提供一種發(fā)生反應的酸、堿、中性的環(huán)境，可先把有化合價升降的元素配平，再確定出所缺的物質，把系數填上即可。
例如：BiO3-+ Mn2+ +- Bi3++ MnO4-+ H2O
解析：首先根據化合價的升降配平有變價元素的有關物質：
5BiO3- +2Mn2+ + - 5Bi3+ +2MnO4-+H2O
根據氧原子守恒，可以確定H2O 的系數為7，根據質量守恒和電荷守恒規(guī)律可以確定反應物所缺的是氫離子H+。
答案：5 2 14H+ 5 2
除這幾種常用方法外，還有一些簡易方法也可用于一些方程式的配平。
(1)奇偶配平法
這種方法適用于化學方程式兩邊某一元素多次出現，并且兩邊的該元素原子總數有一奇一偶，例如：C2H2+O2→CO2+H2O，此方程式配平從先出現次數最多的氧原子配起。O2內有2個氧原子，無論化學式前系數為幾，氧原子總數應為偶數。故右邊H2O的系數應配2(若推出其它的分子系數出現分數則可配4)，由此推知C2H2前2，式子變?yōu)椋?C2H2+O2→CO2+2H2O，由此可知CO2前系數應為4，最后配單質O2為5，把短線改為等號，寫明條件即可：2C2H2+5O2==4CO2+2H2O
(2)觀察法配平
有時方程式中會出現一種化學式比較復雜的物質，我們可通過這個復雜的分子去推其他化學式的系數，例如：Fe+H2O——Fe3O4+H2，Fe3O4化學式較復雜，顯然，Fe3O4中Fe來源于單質Fe，O來自于H2O，則Fe前配3，H2O前配4，則式子為：3Fe+4H2O=Fe3O4+H2由此推出H2系數為4，寫明條件，短線改為等號即可：3Fe+4H2O==Fe3O4+4H2
(3)歸一法
找到化學方程式中關鍵的化學式，定其化學式前計量數為1，然后根據關鍵化學式去配平其他化學式前的化學計量數。若出現計量數為分數，再將各計量數同乘以同一整數，化分數為整數，這種先定關鍵化學式計量數為1的配平方法，稱為歸一法。
做法：選擇化學方程式中組成最復雜的化學式，設它的系數為1，再依次推斷。
第一步：設NH3的系數為1 1NH3+O2——NO+H2O
第二步：反應中的N原子和H原子分別轉移到NO和H2O中，由
第三步：由右端氧原子總數推O2系數
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