2019年是元素周期表誕生150周年,同時也是最權威的化學組織國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)成立100周年,聯合國大會宣布今年為"國際化學元素周期表年"(IYPT2019)。為了紀念這一化學盛事,IUPAC打造了一份"青年化學家元素周期表",一位科學家代表一個元素。我國學者,華東師範大學教授姜雪峰因對硫化學的傑出工作,當選為硫元素代言人,引以為傲!那麼,跟隨中國科協網的腳步,一起來看看關於他的故事。
△華東師範大學姜雪峰教授
心之所向——"變化科學"
"感覺喝的黃河水都帶有'化學科學'的味道",姜雪峰迴憶童年生活時如此說道。他早已和化學結下了不解之緣。姜雪峰1980年出生於蘭州,爺爺是隨國家"一五"計劃"蘭煉、蘭化"項目而來到蘭州,姜雪峰的父母也都是從事與化工相關的工作。在這樣的成長環境下,姜雪峰本能地對化學產生了濃厚興趣,尤其在高中真正開始學習了化學後,讓他更著迷於化學神奇的現象,想要了解化學的原理機制。高考時,他一門心思報考了化學專業,進入了西北大學化學系。
其實西北大學並不是他的第一選擇,當時的報考政策類似於現在平行志願,姜雪峰對化學的執念,使他不服從專業調劑,而學校服從調劑,機緣巧合來到了西北大學。這所底蘊深厚的學府是我國西部地區最早培養化學人才的搖籃。這裡嚴謹治學,而姜雪峰也刻苦努力,為他將來的化學科研之路打下了良好的基礎。
優異的成績讓姜雪峰獲得了保研資格,因為對有機化學的興趣,他選擇了中科院上海有機所,成為了一名直博生,真正開啟了自己的化學研究之路。他解釋了自己為什麼要研究有機化學,"有機物就是和生命體有關係的,我很想知道為什麼有生命現象,為什麼會有病痛,我想了解它的規律,這樣才不會懼怕未知,這也培養了我分析化學反應過程背後機理的習慣。"
經過一年的基礎學習,姜雪峰進入了麻生明院士的研究團隊。當時麻生明已是一位非常優秀的青年科學家,成為姜雪峰的導師時是長江學者特聘教授,在聯烯烴環化和官能化研究方面處於世界前沿。在姜雪峰博二時,自己的導師當選為科學院院士,那時麻生明成為了我國最年輕的院士之一,這也讓姜雪峰更加堅定了自己走的道路,開始有機金屬催化方向的研究。
讀博期間,令姜雪峰感觸最深的就是研究所內的學術氛圍,不論輩分,不分時間地探討科研問題,以及老一輩科學家和年輕一代的勤奮拼搏,這些讓他知道科學之路永無止境。和絕大多數院校一樣,有機所的學生所修的學分中也有一門"學術報告"課,但研究所內的要求是,不能介紹自己的研究工作,報告內容還要經得起聽眾的質疑。因此,他們會選擇前沿的研究熱點提出自己的見解,在這個開放式的平臺上,姜雪峰受益匪淺。
在科研進展緩慢時,大家也會互相鼓勵,進行一些科研人獨有的"誓言"行為。比如實驗做不出來時,實驗室裡就會多出一些沒有剃鬍子、頭髮很長且亂糟糟的同學。
5年後,姜雪峰帶著十幾篇論文和"中科院50篇優秀博士論文",以及包括上海市研究生優秀成果獎等多項榮譽畢業。其實姜雪峰心裡清楚,5年的學習之路才是化學研究的開始,等待他的是更大的挑戰。
△2008年,姜雪峰博士畢業
世界舞臺,嶄露頭角
博士畢業後,姜雪峰選擇到美國斯克利普斯研究所(Scripps Research)進行博士後研究。這裡是世界最具影響力的科研機構之一,尤其在生命科學和化學領域,誕生過多位諾貝爾獎得主。姜雪峰加入了K.C.Nicolaou教授團隊,這位"最毒"(因為他名字的縮寫KCN是劇毒化合物氰化鉀)的科學家是有機合成領域的大師。他合成出包括兩性黴素B、萬古黴素(最後的抗生素)、西羅莫司等多種複雜天然產物分子,這些已成為現代醫學中常用藥物。
在最優秀的導師手下,姜雪峰也遇到了最出色的同事,他們一起在大師雲集的研究所開始了天然產物合成的研究。選擇這一方向也是他想對有機合成領域有更深的了解。姜雪峰說,"我在上海有機所學到的各種知識在這裡都得到了充分的運用,就像原來是一個一個孤立的零件,在這裡需要學習整合組裝成一個機器人。"
那是一段令姜雪峰自豪的經歷,他與團隊成員一起合出具有9個手性中心、含有烯胺不穩定側鏈的十九元環內酯——一種從海藻細菌葉柄粘球菌分離出來,具有多種抗癌活性的海洋天然產物。當時Nicolaou把這一課題交給了包括姜雪峰在內的四位學生,每人負責一部分。實際上,另三人都來自世界名校,分工協作中透著一絲競爭。
姜雪峰最先完成了自己的任務,而最關鍵的把四人做出的分子片段連接在一起,一直進展緩慢。隨著時間推移,姜雪峰逐漸頂替了來自劍橋的學者成為了團隊帶頭人。
將四部分合在一起面臨很多問題,難度極大,姜雪峰頂住壓力,獨立完成了最後所需的9步反應,完成了總步驟需80多步合成的十九元環內酯天然產物,這也是世界上首次合成這一分子。論文發表後,他們的研究得到了極高的評價。這一年,他30歲。
斯克利普斯研究所是一個重視學科交叉和成果轉化的地方,博士後的工作讓姜雪峰更加深了對化學研究的理解,除了基礎科學裡對自然無盡探索的一面,也要注重實際的應用,這也促使他走上目前藥物研發方面的工作。他知道,前沿科學家應該有廣博的知識,多去熟悉其他學科,廣闊的視野會發現新問題和新的解決方法。
因為討厭所以選擇,綠色化學知難而進
姜雪峰在出國前就決定未來回國發展,海外研究經歷僅是目前國內優秀的科研人才的必經之路,要真正走自己的學術道路才剛剛開始。2011年,恰逢麻生明院士在華東師範大學打造綠色有機化學團隊,姜雪峰成為其中一員。
對於自己回國後的研究方向,姜雪峰不是想只發表幾篇文章,而是有更深遠的想法,他說,"剛從美國回來時確實有點眼花繚亂,有的領域好發文章,但我還是想選擇一個可以研究二三十年,甚至一輩子的方向。"
姜雪峰選擇了"硫"。
△硫元素
硫是人體中必不可少的元素,血紅蛋白就是硫鐵鍵結合傳輸氧氣的重要生命分子,含硫胺基酸是一大類構成蛋白質的基本單位,它們是人體內重要的抗氧化劑……姜雪峰表示,從硫的豐度含量來看,從宇宙總含量到地球上,再到人體內呈現了富集的趨勢,自然界中的無機硫鹽為什麼變成了蛋白質內的成分?"對生命起源未知的好奇是我們探索硫化學的第一原因。"
姜雪峰常常講,硫與我們的生產生活有重要關係。硫外層有6個電子,可以被還原或者氧化得到不同的價態,具有豐富且獨特的化學性質,尤其在藥物分子中,硫元素在最常見的元素中排名第五。生活中的洋蔥、大蒜、榴槤,這些具有獨特氣味的食物正是含硫化合物的"功勞",雖然氣味有時不被人們喜愛,但這些化合物往往具有抗菌消炎和抗氧化的作用,是大自然饋贈給人類的天然保健品。
即便如此,異味也還是硫研究的阻礙。姜雪峰過去正是因為切實感受過硫的"威力"而討厭它。"印象最深的就是讀書時做含硫的聯烯炔烴反應,當做到硫反應那步的時候,我發現身邊的同學和朋友都離開我了,就連在實驗室和食堂裡都不願意接近我",姜雪峰迴憶了自己當時的"慘狀"。硫的惡臭不是短暫的,而是會附著在身上一段時間,"那段時間就感覺遭受了歧視,當時沒人願意碰硫化學,我將來也絕不會碰它。"
姜雪峰在科普講座中常用一個數據來形容硫的惡臭,"人們的嗅覺對甲硫醇或乙硫醇的臭味非常敏感,它們在空氣中的濃度達到五百億分之一時,也就是說500億個分子中有1個硫醇分子,人就會問到臭味。"
另外,由於硫自身性質活潑,容易導致金屬催化劑失活,這些問題是硫研究面前的大山。姜雪峰最終選擇知難而進,他笑著說自己的選擇是反向的,因為討厭而選擇。其實,這裡有對科學問題執著探索的精神,也有為化學正名的責任感。因為對於普通大眾,含硫物質往往與汙染、爆炸有關。而綠色化學,是他作為化學工作者嚮往的方向。
3S體系,以身代言
回國後的姜雪峰要獨立開展課題研究了,別人都不願意碰的硫化學,如何才能做出成果,吸引學生組建團隊?姜雪峰說,"我常說己所不欲勿施於人,自己不願意做的事情絕對不能讓別人來做,那如何讓大家愛上硫化學,我首先就要解決臭的問題"。
姜雪峰找到了突破點,創新性地提出從無機硫向有機硫轉化,在無機硫中引入高附加值功能分子,這一過程被稱為面具策略,也就是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。加入了不同的"面具",讓有機硫化合物實現了多種功能,不僅解決了無臭的問題,還克服了易氧化、毒化催化循環等問題。
幾年下來,大量論文發表,姜雪峰被國際同行廣泛關注。很多國外學者都不相信姜雪峰真正解決了硫的惡臭問題,想到姜雪峰的實驗室去看看。"我告訴他們先不用到實驗室,就先看看實驗室在哪個區域",姜雪峰所在的校區,就在上海中山公園旁邊,他知道如果真的有味道,那將是重大的事故。
因為出色的研究成果,姜雪峰應美國化學會邀請擔任了泛太平洋硫化學會議主席之一,還受邀為著名科技出版社斯普林格(Springer)以主編的身份撰寫《有機硫化學》。這些成就也代表國際同行對我國化學研究的認可。姜雪峰笑著說,"現在很多圈內的老外都用微信一塊兒交流。"
無臭,用英文表示為Smelless;穩定則是Stable。姜雪峰的目標是希望真正將硫化學做到無汙染,可持續發展(Sustainable),最終用綠色化學的方法助力自然界硫循環。這就他所提出的3S綠色硫化學。
姜雪峰在接受中國科協網採訪時表示,"3S綠色硫化學"要真正獲得國家和世界更廣泛的關注,就要解決未來在工業和產業上運用的問題。因此,他正在用自己的成果解決更實際的問題。姜雪峰自己的公司在進行含硫新藥和仿製藥的研發工作,這也是他進行有機合成的主要工作之一。他和團隊也與有機材料、香精香料產業等領域的科研人員合作,真正地實踐"產學研"。
△姜雪峰帶領團隊獨立突破多種成藥生物鹼合成
聯合國將2019年確立為"國際化學元素周期表年",因為這一年正是元素周期表誕生150周年。國際化學權威組織IUPAC製作了一份青年化學家元素周期表,每一個科學家代表一個元素,姜雪峰當選為"全球青年化學家元素周期表硫元素代表"(Periodic Table of Younger Chemists for Sulfur)。這一國際榮譽,或許是對他莫大的肯定,但作為一位科技工作者,他仍低調前行,也意識到肩負更多的責任。
科學旅途,人生長跑
IUPAC製作的青年化學家元素周期表,不僅僅是彰顯化學科學前沿成果,也有促進科普和教育的內涵,這也是IUPAC長期以來的使命。
2015年,我國某化妝品邀請女星代言,廣告中一句"我們恨化學",其實說出了不少人的心聲,這是現實中化學在民眾心目中形象很差的一個縮影。然而,對於化學工作者而言,他們冤屈而憤恨。生活中方方面面離不開化學,中國化學會常務副秘書長鄭素萍就表示,化學科普要先樹立良好的化學形象。
姜雪峰作為硫元素的代言人,他也希望展現化學之美。近年來,他在百忙之中做了不少科普工作。他很清楚,老一輩科研人兢兢業業、低調做事,但也形成了一種認為拋頭露面是不良的科研風氣的潛意識。這實質上不利於科學傳播。他作為新一代的科學家有必要向大眾傳播正確的科學知識,也希望孩童能從科普中發掘對科學的興趣。每次作科普講座,除了化學知識,姜雪峰常會講幾句對科研的感悟,幫助聽眾感受科學精神。
△姜雪峰被邀請到中學作科普講座
姜雪峰覺得科學研究是一種螺旋式上升的過程,會經歷強烈的成就感,也會遭受無數挫折,就在一次又一次交替中,習得更深刻的科學原理,感悟科學的真諦。他多次強調,不應該盲目追求國際熱點,而應該去做真正有科學價值和產業價值的研究。愛因斯坦曾說過一句名言,被國人意譯為"科學研究好比鑽木板,有人喜歡鑽薄的,而我喜歡鑽厚的"。
如果不去詢問,很難發現姜雪峰是一位長跑健將。儘管工作再繁忙,他還是堅持長跑,他覺得跑步會帶來靈感,也會帶來享受與感悟、感恩。或許有時把人生比作一場馬拉松有點雞湯,但對於姜雪峰來說,在他的馬拉松比賽裡,每次長跑的堅持,設定小目標,最終超越自己,這與自己的科研之路是相通的。
那條硫化學的跑道上,姜雪峰正奮勇直前。
(中國科協網原創)