2016年化学领域重要成果回顾

摘要

​每年年末,化学领域的重要媒体、美国化学会主办的《化学化工新闻》(C&EN) 都会出版专刊介绍该年度化学化工领域的重要研究成果。那么在刚刚过去的2016年,化学领域有哪些重要的研究成果值得关注?笔者在这里为大家作一简要的解读。

题图

​每年年末,化学领域的重要媒体、美国化学会主办的《化学化工新闻》(C&EN) 都会出版专刊介绍该年度化学化工领域的重要研究成果。那么在刚刚过去的2016年,化学领域有哪些重要的研究成果值得关注?笔者在这里为大家作一简要的解读。

化学反应工艺:连续生产工艺让药物生产在几小时之内即可完成

目前,通用化学品的生产大多已实现连续流动生产,而药物生产由于工艺的复杂性,仍然采用的是更加费时的分批生产(batch production)的方式。为了改进药物生产的工艺流程,来自美国麻省理工学院的Timothy F. Jamison, Klavs F. Jensen和Allan S. Myerson等研究人员开发出一套用于药物的连续流动生产装置。这套体积只有家用冰箱大小的系统将上游的原料药的合成与下游的提纯和添加辅料成型等步骤结合起来,只需要两个小时就可以生产出几百甚至上千粒药物,大大缩短了药物生产所需的时间,特别适用于应对突发公共安全事件或者生产用于治疗罕见病的药物。目前研究人员正与企业合作,将这套反应系统商业化。

1麻省理工学院的研究人员开发的用于药物合成的微型连续流动生产装置,左为反应系统,右为纯化和药物成型系统

相关论文:

[1] On-demand continuous-flow production of pharmaceuticals in a compact, reconfigurable system

http://science.sciencemag.org/content/352/6281/61

高分子材料:首次发现能够降解PET的细菌

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) 被广泛用于生产饮料瓶等塑料制品。虽然PET制品的回收已经相当成熟,每年仍然有大量废旧的PET制品被作为垃圾丢弃,造成严重的环境污染和资源浪费。

在2016年,来自日本京都工艺纤维大学、庆应义塾大学等机构的研究人员从日本堺市的一处PET制品回收工厂中发现一种能够以PET作为主要的有机质和能量来源的细菌。这种被命名为Ideonella sakaiensis 的细菌能够在温和条件下将PET分解为合成它的两种原料——对苯二甲酸和乙二醇,这是首次发现能够降解PET的细菌。不过这种细菌还存在一些缺陷,例如它偏好无定形态的PET,但大多数PET制品中的PET都是部分结晶的。另外这种细菌降解PET的速度还不够快,尚不能适应工业化生产的需要。

2

​新发现的能降解PET的细菌Ideonella sakaiensis 以及这种细菌降解PET的化学反应式

相关论文:

[2] A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)

http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196

材料学:液态金属走向实际应用

在2016年,液态金属吸引了科研人员的关注,在柔性电子产品等领域大放异彩。

液态金属包括金属镓以及镓的某些合金(注)。这些金属或合金在室温下处于液态,其液滴在遇到空气时,表明会形成一层氧化物薄膜,对液滴起到保护作用。用力挤压液滴时,氧化物薄膜会破裂,使得液滴可以自由流动,直至氧化物薄膜重新形成。

液态金属的这一独特性质启发研究人员将其用于能够被高度弯曲或拉伸而性能不受影响的柔性电子产品。例如美国北卡州立大学Michael D. Dickey教授带领的团队将液态金属液滴置于高分子材料中。拉伸高分子材料会使得金属液滴也一同被拉伸。利用这一方法,他们成功制备出直径仅10微米的液态金属导线。来自瑞士洛桑联邦理工学院的Stéphanie P. Lacour等研究人员也利用液态金属成功制造出高度柔性的电子器件。

3

​美国普度大学Rebecca K. Kramer及合作者在手套上印制出基于镓的合金的电路。这种柔性电子器件可以测量手指运动造成的张力

来自美国来自美国爱荷华州立大学的Martin Thuo等研究人员则利用液态金属的这一特性开发出无需加热的软钎焊方法。他们将低熔点的合金添加到特定的溶剂中,加热合金使之熔化,同时剧烈搅拌,将处于液态的合金分散成直径只有几微米到十几微米的液滴。在这个过程中,液滴表面会形成保护层。当温度降至合金熔点以下时,保护层的存在使得合金仍然处于液态,但如果稍微用力破坏液滴表面的保护层,液滴就会迅速固化。这一方法使得不经加热焊接金属成为可能,有望为许多生产工艺带来变革。

译者注:液态金属还应包括汞以及钠和钾的合金,但毒性、安全性等原因限制了这些液态金属的应用。

相关论文:

[3] Drawing liquid metal wires at room temperature

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235243161630075X

[4] Intrinsically Stretchable Biphasic (Solid–Liquid) Thin Metal Films

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201506234/abstract;jsessionid=E745BCFB4A153FF7FB27C18B3C815336.f03t02

[5] Mechanical Fracturing of Core-Shell Undercooled Metal Particles for Heat-Free Soldering

http://www.nature.com/articles/srep21864

有机合成:碳氢键活化的新进展

碳氢键是有机物中最常见的化学键之一,若能够打断碳氢键,将其中的氢原子用其他原子取代,就可以合成出结构更加复杂多样的有机物。然而碳氢键又具有很强的惰性,因此实现碳氢键的活化相当具有挑战性,也是目前有机化学界研究热点之一。

来自美国加州斯克里普斯研究所的余金权及其同事经过14年的摸索,成功开发出碳氢键活化的新方法。利用基于金属钯和喹啉的催化剂,他们成功实现脂肪族酰胺β位(注)碳氢键的活化,使得其中一个氢原子被芳香环结构取代,且反应产物具有高度的立体构型选择性。业内人士评价,这项研究实现了“看上去不可能的任务”。这一新方法将为制药等行业带来帮助。

4

余金权团队开发出的碳氢键活化的反应式

译者注:在有机化学中,与官能团直接相邻的碳原子被称为α位碳原子,α位碳原子旁边的碳原子,也就是与官能团间隔了一个碳原子的那个碳原子,被称为β位碳原子。

相关论文:

[6] Ligand-accelerated enantioselective methylene C(sp3)–H bond activation

http://science.sciencemag.org/content/353/6303/1023

结构生物学:2016年测定的重要生物大分子结构

在2016年,结构生物学家借助X射线衍射、冷冻电镜等研究手段,成功测定了许多重要的生物大分子结构。《化学化工新闻》评选出三项重要成果:

脱氧核酶(或DNA酶,DNAzymes) 是具有催化特定化学反应能力的DNA. 来自德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所的Claudia Höbartner 和Vladimir Pena等研究人员测定了一种名为9DB1的脱氧核酶的结构,这是脱氧核酶的结构首次被测定,有助于我们设计更加合理的脱氧核酶结构。

5

​脱氧核酶9DB1的结构

核孔是镶嵌在真核生物细胞核核膜上的蛋白质复合物,对细胞核和细胞质之间的物质交换起到了“把门人”的重要角色。在2016年,来自欧洲分子生物学实验室的Martin Beck带领的团队和来自加州理工学院的André Hoelz带领的团队分别独立测定了核孔的结构。

组蛋白去乙酰化酶6 (HDAC6)参与体内许多重要的生理过程,是备受药物开发者关注的一种酶。在2016年,来自美国宾夕法尼亚大学的David W. Christianson和来自瑞士弗雷德里希·米歇尔生物医学研究所的Patrick Matthias带领各自的团体,分别独立完成了组蛋白去乙酰化酶6的结构测定。

相关论文

[7] Crystal structure of a DNA catalyst

http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7585/full/nature16471.html

[8] Molecular architecture of the inner ring scaffold of the human nuclear pore complex

http://science.sciencemag.org/content/352/6283/363

[9] Architecture of the symmetric core of the nuclear pore

http://science.sciencemag.org/content/352/6283/aaf1015

[10] Structural insights into HDAC6 tubulin deacetylation and its selective inhibition

http://www.nature.com/nchembio/journal/v12/n9/full/nchembio.2140.html

[11] Histone deacetylase 6 structure and molecular basis of catalysis and inhibition

http://www.nature.com/nchembio/journal/v12/n9/full/nchembio.2134.html

诊断技术:可穿戴的传感器成为2016年“新时尚”

通过与手机应用程序配合,可穿戴的智能手环可以帮助使用者监测他们的心率、血压以及锻炼的总里程等指标。在2016年,许多研究人员利用先进技术进一步拓展了智能手环的功能。来自韩国首尔大学的Dae-Hyeong Kim等研究人员开发了一款基于石墨烯的智能手环。它能够检测使用者的血糖浓度,并且在血糖浓度过高时触发集成在设备中的微型针头,向使用者体内注射控制血糖的药物。美国加州大学伯克利分校Ali Javey教授带领的团队开发的智能手环可以通过电化学方法分析使用者汗液中多种化学成分的含量,从而监测使用者的健康状况。美国麻省理工学院Timothy M. Swager教授的研究团队则开发出能够监测环境中危险化学物质的智能手环。这种智能手环的核心部件是将碳纳米管分散到离子液体中得到的混合物,它在遇到待监测的毒物时电阻能够发生变化。实验表明,这种设备能够监测出浓度低达10ppb的有毒物质。

6

韩国研究人员开发出的能够实时监测血糖浓度并注射降血糖药物的智能手环

7

来自美国加州大学伯克利分校的研究人员开发出的智能手环能够分析使用者汗液中多种化学成分的含量

相关论文:

[12] A graphene-based electrochemical device with thermoresponsive microneedles for diabetes monitoring and therapy

http://www.nature.com/nnano/journal/v11/n6/full/nnano.2016.38.html

[13] Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis

http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7587/full/nature16521.html

[14] Wireless Hazard Badges to Detect Nerve-Agent Simulants

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201604431/abstract;jsessionid=EA4A10D8005AE1C0DD2143A59BD00A90.f04t01

药物开发:新的抗生素

抗生素是人类对抗致病细菌的重要武器。由于细菌会对抗生素逐渐产生耐药性,我们必须不断开发新的抗生素,这样才能在对抗疾病的战争中处于不败之地。在2016年,研究人员针对这一目标取得了重要的进展。

大环内酯类化合物是抗生素重要的组成部分。在2016年,美国哈佛大学Andrew G. Myers教授带领的团队开发出合成大环内酯类化合物的新方法。他们与制药企业合作,利用这一方法已经合成出约千种新的大环内酯化合物,其中有许多有望成为新的抗生素。

在另一项研究中,德国图宾根大学大学的研究人员Andreas Peschel及合作者从人的鼻腔中发现能够杀死金黄色葡萄球菌的新的抗生素。这种被命名为Lugdunin的化合物由另一种葡萄球菌——路邓葡萄球菌分泌,能够阻止金黄色葡萄球菌在鼻腔中70%左右的区域生存繁殖。这项研究启示研究人员,更多新的抗生素或许就藏在我们身上。

8

​图为Lugdunin的化学结构式

相关论文:

[15] A platform for the discovery of new macrolide antibiotics

http://www.nature.com/nature/journal/v533/n7603/full/nature17967.html

[16] Human commensals producing a novel antibiotic impair pathogen colonization

http://www.nature.com/nature/journal/v535/n7613/full/nature18634.html#affil-auth

生物催化:通过酶来形成碳硅键

尽管硅是地壳中含量仅次于氧的元素,人们从未在生物体中发现含有碳硅键的化合物或相关的合成路径。但美国加州理工学院Frances H. Arnold教授带领的研究小组却发现,在合适的条件下,某些酶其实可以催化碳硅键的形成。他们通过筛选,发现一种生活在海底的厌氧细菌Rhodothermus marinus 中的酶——细胞色素c,可以催化含有碳硅键的化合物的生成。通过定向进化(directed evolution)手段,他们发现一系列结构上的变异可以让这种酶的催化效率进一步提高。由于含有碳硅键的化合物在实际应用中具有重要的价值,这项研究或将提供合成这些化合物的新方法。

相关论文:

[17] Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to life

http://science.sciencemag.org/content/354/6315/1048

催化技术:单原子催化剂取得初步进展

吸附在固体表面上的金属颗粒催化了许多重要的化学反应,例如石油精炼的许多重要过程。如果把这些金属颗粒用金属的单个原子,首先可以大大节省催化剂的用量,特别是铂、钯等较为稀有贵重的金属的用量;其次由于单个原子具有金属颗粒无可比拟的尺寸均一性,因此有可能减少副反应的发生,进一步提高催化效率。然而单分子催化剂实现起来难度很大,很长事件以来被研究人员视为近乎科学幻想。

在2016年,多个研究团队实现了单分子催化的初步进展。来自美国新墨西哥大学的Abhaya K. Datye等研究人员发现,在高温氧化条件下,铂的纳米颗粒会形成具有挥发性的二氧化铂,后者在脱离铂的表面后,能够被二氧化铯表面重新吸附,形成单分子催化剂。在另一项研究中,我国中国科学院大连化学物理研究所张涛院士带领的团队成功开发出制备钴的单原子催化剂的方法,并且测定了催化剂的结构。这种催化剂不需要使用铂等贵重金属,可以被用于催化许多重要的化学反应。

相关论文:

[18] Thermally stable single-atom platinum-on-ceria catalysts via atom trapping

http://science.sciencemag.org/content/353/6295/150

[19] Single-atom dispersed Co–N–C catalyst: structure identification and performance for hydrogenative coupling of nitroarenes

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C6SC02105K#!divAbstract

原文链接见http://yearinreview.cenmag.org/top-research-of-2016/ 其中的“年度分子”一节将另行撰文介绍,“化学期刊热门话题”一节从略。文中图片均来自原文。

您还未添加分享代码,请到主题选项中,添加百度分享代码!

您可以选择一种方式赞助本站

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

图片 表情