
圖1. (A)SO2光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理;(B)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
相比備受關(guān)注的單體SO2的光化學(xué)研究,SO2與其他大氣相關(guān)物種通過分子間弱相互作用形成的復(fù)合物的光化學(xué)研究則較為缺乏,這主要受限于復(fù)合物的不穩(wěn)定性。作為原型體系,1:1復(fù)合物H2S···SO2是SO?與H?S反應(yīng)生成單質(zhì)硫過程中的預(yù)反應(yīng)中間體(2H2S + SO? → 2H?O + 3S),該反應(yīng)不僅參與形成行星大氣中單質(zhì)硫氣溶膠,也是工業(yè)上著名Claus反應(yīng)回收液態(tài)硫的關(guān)鍵步驟之一。盡管在硫化學(xué)中非常重要,但SO?與H?S反應(yīng)的機(jī)理尚未被完全了解,例如作為關(guān)鍵中間體的硫代亞硫酸HSS(O)OH一直未被實(shí)驗(yàn)捕獲與表征。
近日,復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系曾小慶教授、王麗娜副研究員團(tuán)隊(duì)和賓夕法尼亞大學(xué)Joseph S. Francisco教授采用自主研制的雙路分子束交叉進(jìn)樣裝置,與低溫基質(zhì)隔離紅外/紫外可見光譜表征平臺(tái)相結(jié)合(圖1B),高效制備了SO?與H?S的1:1復(fù)合物。通過基質(zhì)隔離紅外光譜表征獲取了復(fù)合物的完整指紋光譜數(shù)據(jù),相比于自由單體,分子間弱相互作用導(dǎo)致復(fù)合物中單體的特征振動(dòng)模式發(fā)生不同程度位移(圖2A)。有趣的是在基質(zhì)隔離紫外光譜中發(fā)現(xiàn)H2S···SO2復(fù)合物在290 nm處存在強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移CT吸收帶,其強(qiáng)度約是單體SO2吸收帶的10倍,理論計(jì)算表明此吸收帶為H2S硫孤對(duì)電子向SO2反鍵軌道的躍遷(圖2B)。進(jìn)一步對(duì)H2S···SO2光化學(xué)研究發(fā)現(xiàn),280 nm能選擇性消耗H?S···SO?生成新物種。通過氘代(D-)和18O-同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn),并結(jié)合高精度VCI計(jì)算確認(rèn)此物種為硫代亞硫酸HSS(O)OH?;?/span>HSS(O)OH在240 nm處的吸收帶,進(jìn)一步254 nm光激發(fā)導(dǎo)致HSS(O)OH分解,生成S2O···H2O復(fù)合物。

圖2. H?S···SO?的紅外(A)與紫外光譜(B&C)。

圖3. H?S···SO?的光化學(xué)。
除了H2S,該團(tuán)隊(duì)還研究了SO2與典型揮發(fā)性含硫有機(jī)化合物二甲基硫DMS(圖4)和甲硫醇CH3SH之間的光化學(xué)反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)DMS···SO2和CH3SH···SO2復(fù)合物具有類似的CT吸收特性,受到光激發(fā)后發(fā)生高效的質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移(PCET)反應(yīng),生成有機(jī)磺酸類產(chǎn)物。此外,該團(tuán)隊(duì)還對(duì)這兩個(gè)體系進(jìn)行了室溫溶液相實(shí)驗(yàn),并采用核磁、液相紫外以及高分辨質(zhì)譜對(duì)復(fù)合物和反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行表征,證實(shí)了分子間硫鍵介導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)制。

圖4. DMS···SO2光化學(xué)。
分子間硫族鍵的電荷轉(zhuǎn)移光化學(xué)揭示了SO2與含硫物種反應(yīng)的新機(jī)制,不僅發(fā)現(xiàn)了揮發(fā)性有機(jī)硫污染物(如CH3SCH3)的光氧化新通道,更成功捕獲了工業(yè)Claus脫硫反應(yīng)中的關(guān)鍵中間體——硫代亞硫酸(HSS(O)OH)。這一成果近期發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.(https://doi.org/10.1021/jacs.5c11910)上,文章的第一作者是復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系碩士生孫蓓蓓和博士生姜俊杰,通訊作者為曾小慶教授,Joseph S. Francisco教授和王麗娜青年副研究員。
導(dǎo)師介紹
曾小慶
https://www.x-mol.com/university/faculty/382441
王麗娜
https://www.x-mol.com/university/faculty/382439
課題組網(wǎng)站
https://zxq.fudan.edu.cn/

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