雷爱文团队，Nature Synthesis！

米测MeLab

2026-01-23

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

二氧化硫（SO₂）是化石燃料燃烧和金属冶炼中产生的主要大气污染物，易导致酸雨并危害人类呼吸健康。目前工业回收SO₂主要将其转化为硫酸或单质硫，但这类产品经济价值较低，回收动力有限。因此，开发能将SO₂高效转化为高附加值有机硫化合物（如亚硫酸酯）的可持续策略，对于环境保护和资源利用具有重要意义。

关键问题

目前，SO₂转化主要存在以下问题：

1、传统合成路线高污染且危险

工业生产亚硫酸酯通常需使用剧毒且具腐蚀性的氯化亚砜（SOCl₂），该过程不仅安全隐患大，还会产生大量卤化废弃物，对环境造成二次伤害。

2、反应热力学不利及硫活性难控

理论计算显示，从SO₂直接合成亚硫酸酯在标准条件下是热力学不利的（ΔG > 0）；此外，中间产物单质硫（S₈）具有极高的氧化稳定性，难以在温和条件下被化学氧化激活参与偶联反应。

新思路

有鉴于此，武汉大学雷爱文、易红、李武和魏振威等人展示了一种配对电解策略，在温和条件下直接将SO₂转化为环状亚硫酸酯——这是一种广泛用于有机合成和功能材料前体的增值有机硫中间体。SO₂在阴极被还原为元素硫，随后在阳极发生氧化并与醇偶联，形成五元、六元和七元环状亚硫酸酯。机制研究揭示了关键的含硫中间体并阐明了关键的氧化还原路径。该方法有效地转化了低浓度的SO2（包括模拟工业烟气），证明了实际应用性。该策略为绿色有机硫合成和污染物增值提供了一个通用且环保的平台，为可持续化学制造开辟了新途径。

技术方案：

1、设计了配对电解方案

研究团队设计分格电解槽系统，将SO₂转化为单质硫并偶联生成亚硫酸乙烯酯，法拉第效率78%，收率74%，并成功应用于模拟工业烟气转化。

2、展示了电解策略在构建不同尺寸杂环化合物方面的多功能性

研究考察了电解体系对多元醇底物的适用性，发现烷基链长和位阻影响产率，1,2-二醇收率最高67%，1,3-二醇可达87%，1,4-丁二醇为45%，展示了策略的多功能性。

3、研究了反应机制与产物衍生化利用

团队通过CV、同位素标记和EC-MS研究反应路径，发现酸性条件促进SO₂还原，硫的氧化是关键步骤，揭示了完整的反应机理，产物可衍生化为锂电池添加剂或与亲核试剂反应。

技术优势：

1、构建了平行配对电解平台实现污染物高值化

研究首次实现了阴极SO₂还原与阳极硫氧化偶联的无缝衔接，在温和条件下将工业废气转化为高附加值的锂电添加剂前体。

2、展示了实际应用潜力与深度的机制解析

本文开发的方法可直接利用低浓度模拟工业烟气，并通过原位电化学质谱（EC-MS）捕捉到了关键的硫自由基阳离子中间体，完整绘制了反应图谱。

技术细节

配对电解方案的设计与可行性验证

研究团队首先设计了一个分格电解槽系统，旨在利用电能驱动热力学不利的SO₂转化反应。在优化条件下，阴极使用铂电极将SO₂还原为单质硫（S_α），法拉第效率达到78%；同时，阳极使用碳布电极，在四氟硼酸四甲基铵（TMABF₄）电解质和MeCN/DCM混合溶剂中，促进生成的硫与乙二醇偶联，以74%的收率生成亚硫酸乙烯酯。实验发现，电氧化相较于传统的化学氧化剂（如过硫酸钾等）具有独特优势，后者无法有效激活硫参与偶联。通过对阴极产生的硫（S_α）进行XPS和XRD表征，证实其主要为斜方硫，且具有与商业S₈几乎相同的电化学活性。此外，研究者还开发了顺序吸收-电解策略，成功将含有5% SO₂、5% O₂和10% CO₂的模拟工业烟气转化为亚硫酸酯，阳极产物收率达71%，充分证明了该技术在处理复杂工业废气时的稳健性和实用价值。

图  SO₂的产生和化学稳定化

图  成对电解法合成亚硫酸酯的可行性验证

底物范围拓展与结构普适性研究

在确立了最佳反应条件后，研究人员考察了该体系对不同多元醇底物的适用性。对于1,2-二醇，随着烷基链长的增加，产率因位阻效应增大而逐渐下降；在羟基α位引入卤素取代基时仍能保持67%的良好收率，但双α位甲基取代会使收率降至34%。研究进一步扩展至1,3-二醇，通过改用碳棒阳极，成功合成了多种六元环亚硫酸酯。实验结果显示，2位取代的1,3-二醇（如具有长链烷基、双溴甲基或二酯基团的底物）通常能以较高的收率转化，收率最高可达87%。相比之下，羟基所在位置的位阻对反应影响显著，例如2,4-戊二醇的收率仅为29%。最后，该方法还可应用于1,4-丁二醇，成功获得七元环状亚硫酸酯，尽管收率略低（45%），但这展示了该电解策略在构建不同尺寸杂环化合物方面的多功能性。

图  基质范围

反应机制研究与产物衍生化利用

为了厘清反应路径，团队开展了详尽的机制研究。循环伏安法（CV）表明，酸性条件能显著促进SO₂还原，且阳极上硫的氧化先于二醇发生，这证实了硫的电催化氧化是反应的起始关键步。¹⁸O同位素标记实验揭示，产物S=O键中的氧原子主要源自醇（比例为7.3:1），水分贡献较小。通过高灵敏度的原位电化学质谱（EC-MS），研究者捕捉到了二价硫中间体（A）和自由基阳离子中间体（B、D、E），据此提出了完整的反应机理：S₈首先被氧化并与醇缩合形成二价硫物种，随后经进一步电氧化产生自由基阳离子，最终通过亲核进攻和分子内环化生成目标产物。此外，该方法的合成价值通过产物衍生化得到了进一步体现：产物亚硫酸乙烯酯可直接氧化生成锂电池重要添加剂硫酸乙烯酯，或作为羟乙基供体与各种亲核试剂（如萘酚、硫酚等）反应，收率在65%-76%之间。

图  机理研究

图  机理分析

展望

本研究成功开发了一种绿色高效的平行配对电解策略，实现了工业废气SO₂向高附加值环状亚硫酸酯的直接转化。该方法不仅规避了传统工艺中剧毒试剂的使用，还展示了处理低浓度模拟烟气的卓越能力。通过先进的机制表征手段，深入揭示了含硫自由基中间体的转化规律。这一成果为工业污染物的资源化利用和有机硫化合物的可持续制造提供了重要范例，具有广阔的工业应用前景。

参考文献：

Hu, J., Hu, J., Wang, Y. et al. Parallel paired electrolysis of industrial exhaust SO2 and diols for value-added sulfite esters synthesis. Nat. Synth (2026). 

https://doi.org/10.1038/s44160-025-00968-4