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【编委专辑】华东师范大学姜雪峰教授:浅析硫化学应用前景
引用本文孟娇龙,姜雪峰浅析硫化学应用前景[J]. 化学试剂202345(6): 20-25.


DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0277
姜雪峰

《化学试剂》副主编


     

华东师范大学二级教授,国家杰出青年基金、国家优秀青年基金获得者,国家万人计划入选者,教育部青年长江学者。已在ChemNat. Syn.JACSACIENatl. Sci. Rev. 等顶尖期刊上发表论文170余篇,拥有授权专利50余项,参与编撰专业书籍12本。研究方向:合成方法创制导向的药用天然产物全合成、功能材料合成;科学本质建模导向的高端仪器开发、合成自动化与智能化。中国化学会高级会员,英国皇家化学会士。《化学教育》和《化学试剂》副主编,《National Science Review》、《Science Bulletin》和《化学通讯》编委,美国化学会《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、 Organometallics》, WileyEuropean Journal of Organic Chemistry》、 Heteroatom Chemistry 等顾问编委。




背景介绍

图片

硫化学应用前景广阔,涉及生命科学、化工生产、材料科学和能源储存等多个领域。从生命角度来看,硫元素主要以含硫巯基的氨基酸和多肽的形式存在,是蛋白质和其他生物分子的重要组成部分,被广泛应用于医药、食品和精细化工等领域;在化工生产中,硫元素广泛用于橡胶、纸浆、玻璃、石油加工和金属提取等领域,含硫化合物在石油、煤炭等化石燃料的加工过程中具有重要作用;能源领域,硫化物作为锂离子电池和钠离子电池的正极材料,具有高容量、长循环寿命和低成本的特点,被广泛研究和应用于储能系统。随着科技的不断进步和对可持续发展的需求增加,硫化学在解决能源和环境问题、推动科学技术创新等方面将发挥越来越重要的作用。



文章亮点


1

生命科学:阐述了人体中的硫形式,主要以硫化氢、半胱氨酸、高半胱氨酸、谷胱甘肽等形式存在,并描述了各自在人体中的作用机制;

2

化工生产:有机硫化物是重要的精细化学品和医药农药中间体,文中列举了奥美拉唑治疗胃病的作用机制,展示了含硫试剂的引硫策略来合成除草剂和杀虫剂

3

能源领域:硫化学应用广泛,涉及到锂/钠硫电池,聚苯硫醚,热固材料,自修复材料,光学材料和含硫催化剂等,为可持续能源的开发提供了新的途径

内容介绍








1

生命体内含硫化合物



硫元素在人体中含量较少,主要以硫化氢H2S、半胱氨酸(CysteineCys)、高半胱氨酸(HomocysteineHcy)、谷胱甘肽(GlutathioneGSH)、二甲基砜(Methyl sulfoneMSM)等形式存在。


1  CysHcyGSH的化学结构
Fig.1  Chemical structure of Cys, Hcy, and GSH

2

精细化工及医药农药中间体

有机硫化物广义上指含有碳硫键的有机化合物,是重要的精细化学品和医药农药中间体,在医药、农药、香精香料等领域具有重要应用。

2  代表性有机硫化物的化学结构

Fig.2 Structure of representative sulfur-containing compounds

3

含硫新材料



3.1  金属硫化物

金属硫化物,以二硫化钼(MoS2、硫化镉(CdS等为代表,具有特殊的能带结构以及优异的机械性能,在纳米电子器件和光电催化等诸多领域产生了广阔的应用前景,是近年来低维功能材料领域研究的热点。

3.2  锂硫电池、钠硫电池

锂硫电池,是一种颇具前景的储能体系。与现在商用的锂离子电池相比,锂硫电池具有更高的能量密度。同时,硫在地球的表层储量十分丰富且廉价,使得锂硫电池成为极具吸引力且成本更低的储能技术。
钠硫电池,是一种由液态钠(Na)和硫(S)构成的熔盐电池,该类电池具有能量密度高(能量密度是铅酸电池的5倍),充放电效率高,循环寿命长(> 1000次),原材料廉价且无毒等优点。
  1. 3.3  聚苯硫醚(PPS
聚苯硫醚的分子结构比较简单,分子主链由苯环和硫原子交替排列,大量的苯环赋予聚苯硫醚刚性,大量的硫醚键又提供柔性,因此PPS结构对称,易于结晶,无极性,电性能好,不吸水。
  1. 3.4  基于聚硫醇的热固/光固材料
聚硫醇,是包含巯基官能团(-SH)的一类非芳香化合物,巯基具有很高的反应活性,可以与烯烃发生“点击”反应,也可以与环氧、异氰酸酯类化合物发生加成反应。因此,硫醇作为不饱和树脂、异氰酸酯以及环氧树脂的光/热固化剂、固化助剂被广泛应用。
  1. 3.5  含硫自修复材料
自修复材料(Self-healing materials)是指受到破坏后,一定条件下可以自我修复恢复部分或全部性能的材料。
  1. 3.6  含硫新型光学材料
随着先进制造、电子信息行业的飞速发展,传统光学塑料的性能远不能满足人们对光学元件高性能、高精密度的要求,新型光学材料已经涌现并取得较大的发展。
  1. 3.7  含硫催化剂
氧、氮、磷、硫等杂原子具有孤对电子,与金属离子之间存在强配位作用,通过强配位作用可稳定金属离子,同时影响金属中心的外层电子,进而对金属的催化性能(活性、选择性、寿命等)进行调控。

4

结论

含硫化合物及材料在科研领域和工业生产中都占据重要地位,关乎民生,应用广泛。其中,生命体内含硫化合物与机体的各种生理过程紧密相关,对生命体的正常运转具有重要作用。此外,从含硫基础原料高效引硫,合成至精细化工品以及医药农药中间体,进而被应用于医药、农药、香精香料等领域。不仅如此,含硫新材料从“润滑剂之王”的二硫化钼,高性能聚合物聚苯硫醚到含硫电池的开发应用等,大大提升了人们的生活质量。总之,推动关于硫化学的科学研究和工业应用对推进现代生命科学、材料科学、储能科学的发展,推动社会经济发展、改善人类生活都具有重要意义,亟需更多的研究机构及相关企业参与其中。



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