2017年化学领域重要成果回顾

摘要

​​​化学领域著名的媒体《化学化工新闻》在其2017年的最后一期刊物中评选出了当年化学领域重要的研究成果。笔者现将这些研究进展编译如下,以供有兴趣的读者参考。

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​​​化学领域著名的媒体《化学化工新闻》在其2017年的最后一期刊物中评选出了当年化学领域重要的研究成果。笔者现将这些研究进展编译如下,以供有兴趣的读者参考。

计算化学越过新的里程碑

计算机一直是化学家们不可或缺的好帮手,而在刚刚过去的一年,计算机对于化学研究的重要作用进一步凸显。其中一个值得关注的领域是机器学习在化学研究中的应用。机器学习是人工智能的一个重要分支,它使得计算机程序能够超越简单的编程设定,具备学习的能力。在2017年,多个研究小组报道了机器学习在化学研究中的应用。例如来自美国华盛顿大学的David Baker等人利用机器学习确定了600多种蛋白质的结构[1]。来自美国洛克菲勒大学、IBM公司等机构的研究人员利用机器学习成功预测了化合物的气味[2]。来自美国和德国的研究人员则通过机器学习,无需复杂的计算就可以预测化合物的电子结构[3]。

2017年另一个值得关注的计算化学领域是量子计算机。由于原理有别于传统的电子计算机,量子计算机被认为有望解决现有方法难以胜任的一些问题。虽然量子计算机仍然处于较为初级的研发阶段,来自世界各地的研究人员仍然取得了许多进展。例如来自IBM的科学家们利用由7个量子位元组成的量子计算机计算了氢化锂和氢化铍的能级结构[4]。此前类似的计算仅仅局限于含有氢或者氦的分子,因此此次的研究无疑将量子计算机向前推动了一大步。

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来自IBM的研究人员使用的含有7个量子位元(图中深色方块)的处理器

电合成为化学家带来帮助

在化学合成中,电流是一个非常重要的工具,常常能够帮助实现其它条件下难以顺利进行的化学反应。尽管有着这样的优势,电合成此前并不大为化学家们所重视。但在2017年,这种状况开始发生变化。一个典型的例子是德国美茵茨大学的Siegfried R. Waldvogel教授与赢创工业(Evonik Industries)合作,开发出一步合成二元醇、二元胺等重要化工原料的电合成技术[5]。Waldvogel教授此前曾与实验仪器设备生产商IKA合作,推出供实验室使用的电合成系统ElectraSyn Flow. 在2017年,美国斯克里普斯研究所的Phil S. Baran又帮助IKA对这一系统进行了升级。

在未来,化学合成面临的一大挑战是如何以更加经济、安全、环保的方法合成结构更加复杂的分子。电合成无疑将为化学家们提供很好的帮助。

振奋人心的酶催化领域

作为天然存在的催化剂,酶一直是化学、食品、生物技术等工业关注的重点,也是化学研究的前沿领域之一。据《化学化工新闻》统计,在刚刚过去的2017年,几乎每一期刊物中都会涉及与酶相关的研究进展。因此,酶催化领域的新发现当之无愧地成为2017年化学领域重要进展之一。在众多的研究中,《化学化工新闻》列举了其中几项有代表性的工作:

苯环的烷基化是非常重要的化学反应。1877年,法国化学家查尔斯·傅里德和美国化学家詹姆斯·克拉夫茨发现卤代烷在路易斯酸催化下能够实现苯环的烷基化,这就是有机化学中著名的傅-克反应。在2017年,美国哈佛大学Emily Balskus教授带领的研究团队发现蓝菌中的一种酶也可以实现类似的烷基化反应[6]。目前他们正在测定这种酶的结构,希望能够对这种酶进行进一步的改造以扩大其应用范围。

将烯烃氧化为醛也是一类重要的有机化学反应,但目前能够催化这一反应的酶大多存在效率低或者立体构型选择性差等缺点。为了寻找性能更加卓越的催化剂,来自美国加州理工学院的Frances H. Arnold等研究人员利用被称为“定向进化”(directed evolution)的方法,模拟蛋白质在自然选择作用下不断进化的过程,对一种名为P450LA1的酶进行了改造。这种酶本来的功能是将烯烃氧化为环氧化物,但发生变异后,能够较好地完成将烯烃氧化为醛的反应[7]。

来自法国原子能和替代能源委员会的研究人员在微生物藻类中发现了一种新的酶。这种酶能够利用光能将脂肪酸中的羧酸基团移除,从而得到脂肪族烃类。这种新发现的酶或许可以在未来的化工生产中派上用场[8]。

流动化学合成应用于药物生产

一条龙式的流动化学合成经常用于大宗化学品的合成,但药物活性成分的合成由于工艺复杂、需求量少等原因,长期以来使用的是更加费时费力的批次合成。但近些年来,随着流动化学合成设备的小型化,这一技术在药物生产中的重要性开始受到重视。在2017年,著名制药企业礼来公司的研究人员不仅利用流动化学合成技术合成出24千克的药物活性成分,而且将流动化学合成装置与质量控制系统衔接起来,保证了药物的合成符合药物良好生产规范。相关论文发表在顶级学术刊物《科学》上[9]。这一研究的负责人Kevin P. Cole指出,他们此次负责合成的药物分子有着很强的细胞毒性,如果使用传统的批次合成方法,合成完毕后,反应容器必须经过繁琐的清洗,以免残留的药物污染其它产品。相反,他们使用的流动化学合成装置在任务完成后可以直接丢弃,从而避免了上述问题。

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礼来公司使用的流动化学合成设备

同样在2017年,来自Snapdragon Chemistry公司的研究人员利用流动化学合成技术,成功帮助辉瑞公司将一种药物中间体的合成从六步简化为两步。新的合成路线需要使用的一种有机锂化合物性质极其活泼,因而反应必须在-78 °C的低温下进行。这样的低温在传统的批次合成中难以实现,但通过流动化学合成,问题就迎刃而解了[10]。

值得一提的是,《化学化工新闻》评选出的2016年重要化学进展就包含流动化学合成在药物生产中的应用。时隔一年,这一领域的研究成果再度入围当年重要化学研究成果,可见这一新兴方法的重要性。

分子机器向前迈出一大步

所谓分子机器,指的是能够利用外部能量完成指定操作的分子或者分子的集合体。2016年,三位科学家由于在分子机器领域的研究而获得当年的诺贝尔化学奖,从而使得这一原本较为陌生的概念开始为公众所了解。

借着诺贝尔奖的东风,在过去的一年里,分子机器领域涌现出不少令人瞩目的进展。在去年4月,来自全球各地的六个研究小组进行了世界上首次“纳米汽车”的竞赛。由美国和奥地利研究人员合成的分子机器”Nanoprix”在29小时内前进了1微米,以最长的距离和最快的速度拔得头筹。并列第一的由瑞士研究人员开发的分子机器则在6小时30分钟内前进了133纳米。

除了这场别具一格的竞赛,还有几项分子机器相关的研究成果也值得一提。来自美国莱斯大学的研究人员合成的分子机器能够吸附在细胞膜上,然后在紫外线照射下发生转动。转动的结果是细胞膜被破坏,从而导致细胞死亡。这或许可以用来杀灭癌细胞[11]。来自英国曼彻斯特大学的研究人员合成的分子机器则通过分子的转动来实现不同结构化合物的合成[12]。2016年诺贝尔化学奖得主之一,荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加以发明在光照下沿着一个方向旋转的分子马达而闻名。在2017年,他带领研究团队合成出更加复杂的分子马达[13]。来自法国斯特拉斯堡大学的研究人员将两种不同的分子机器结合在一起,在光照作用下,它们能够将聚合物的分子缠绕在一起再打开。由于这种作用,整块材料在光照下能够表现出收缩和膨胀[14]。来自韩国的研究人员开发出一种新的聚合物材料。这种材料的结构颇似日常生活中常见的滑轮:相邻的聚合物分子既相互连接,彼此之间又可以发生滑动。这种结构的一个潜在应用是作为锂离子电池的电极时,能够更好地缓冲电池充放电导致电极的膨胀和收缩,从而提高电池的性能[15]。

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在光照驱动下能够在细胞膜上打洞的分子机器

模拟女性生殖系统的装置

美国西北大学Teresa K. Woodruff教授带领的团队将体外培养的女性生殖系统和肝脏的组织(其中的卵巢细胞来自小鼠)通过微流控设备连接起来。这种被称为Evatar的装置能够模拟女性的月经周期[16]。研究人员表示,这种模拟女性生殖系统的装置不仅可以帮助人们更好地认识相关的疾病,而且有朝一日,患者或许可以将自己的细胞在体外培养,从而帮助医生更好地量体裁衣、对症下药。

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在体外模拟女性生殖系统的装置Evatar

同样在2017年,Woodruff和西北大学Ramille N. Shah教授带领的研究团队合作,成功开发出“人造卵巢”。他们首先利用3D打印加工出一个明胶制成的骨架,再将小鼠的卵泡植入骨架中。实验表明,这种人造卵巢在植入事先移除了卵巢的雌性小鼠体内后能够正常发挥作用,帮助小鼠完成交配和生育的过程[17]。Woodruff教授表示,利用同样的方法模拟人的卵巢难度更大,但也并非不可能。如果这一目标得以实现,将有望为那些由于疾病而导致生育能力受损的女性带来福音。

单分子实验揭示高分子化合物的形成过程

天然的高分子化合物在生命现象中扮演着关键的角色,人工合成的高分子化合物更是我们不可或缺的材料,因此研究高分子化合物的形成过程有着重要的意义。在2017年,来自美国的研究人员在这一领域做出了突破性的发现。

高分子化合物由无数的小分子(即通常所说的单体)聚合而来。但高分子究竟是如何“长大”的,由于实验技术的限制,很难直接观察。但来自美国康奈尔大学的Peng Chen, Geoffrey W. Coates和Fernando A. Escobedo三位科学家带领他们的团队通过巧妙的实验设计,成功观察到了高分子化合物单个分子的形成过程。他们发现,随着聚合的进行,高分子化合物的分子并非简单地变长,而是会形成一个高度纠缠的“线团”。经过一段时间后,“线团”打开,高分子化合物的分子由蜷缩变成舒展,而一个新的“线团”又开始形成,如此往复[18]。

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康奈尔大学研究人员通过巧妙的实验设计(上)观察到的高分子化合物单个分子的形成过程(下)

这一发现无疑让我们更好地认识高分子化合物的性质,这不仅有助于开发性能更加优越的材料,还有可能更好地理解生命现象。

益生菌用于疾病治疗获得成功

我们体内生活着大量的微生物。科学家们一直致力于弄清体内微生物对人体生理活动的影响,并尝试通过微生物来治疗或者预防疾病。2017年的一项研究为这一领域带来了新的希望。

一项在印度进行的临床试验表明,口服植物乳杆菌这种细菌和一种名为果寡糖的糖类能够将婴儿败血症的发生和死亡率降低40%[19]。由于实验结果非常令人满意,这项由美国内布拉斯加大学医学中心Pinaki Panigrahi教授主持的临床试验提早结束,因为管理方认为继续给对照组的婴儿服用安慰剂已经有违医学伦理。

一位业内人士指出,这项临床试验之所以能够取得很好的结果,是因为研究人员进行了充分的前期工作,不仅筛选出了合适的菌种,还找到了能够帮助细菌繁殖的糖类。这位业内人士还指出,这项研究增强了人们通过控制和改造肠道微生物来防治疾病的信心。

(原文见https://cen.acs.org/articles/95/i49/chemistry-research-of-the-year-2017.html. 文中插图均来自原报道)

参考文献

[1] Sergey Ovchinnikov等, “Protein structure determination using metagenome sequence data”, Science, 2017, 355, 294

[2] Andreas Keller等,“Predicting human olfactory perception from chemical features of odor molecules”, 2017, 355, 820

[3] Felix Brockherde等,“Bypassing the Kohn-Sham equations with machine learning”, Nature Communications, 2017, doi:10.1038/s41467-017-00839-3

[4] Abhinav Kandala等, “Hardware-efficient variational quantum eigensolver for small molecules and quantum magnets”, Nature, 2017, 549, 242

[5] Stephen K. Ritter, “Electrosynthesis gives organic chemists more power”, Chemical and Engineering News, 2017, 95(11), 23

[6] Hitomi Nakamura等,“A new strategy for aromatic ring alkylation in cylindrocyclophane biosynthesis”, Nature Chemical Biology, 2017, 13, 916

[7] Stephan C. Hammer等,“Anti-Markovnikov alkene oxidation by metal-oxo–mediated enzyme catalysis”,Science, 2017, 358, 215

[8] Damien Sorigué等, “An algal photoenzyme converts fatty acids to hydrocarbons”, Science, 2017, 357, 903

[9] Kevin P. Cole等,“Kilogram-scale prexasertibmonolactate monohydrate synthesis under continuous-flow CGMP conditions”, Science, 2017, 356, 6343

[10] Hui Li等, “Flow Asymmetric Propargylation: Development of Continuous Processes for the Preparation of a Chiral β-Amino Alcohol”, AngewandteChemie International Edition, 2017, 56, 9425

[11] Víctor García-López等, “Molecular machines open cell membranes”, Nature, 2017, 548, 567

[12] Salma Kassem等,“Stereodivergent synthesis with a programmable molecular machine”, Nature, 2017, 549, 374

[13] Peter Štacko等, ” Locked synchronous rotor motion in a molecular motor”, Science, 2017, 356, 964

[14] Justin T. Foy等,“Dual-light control of nanomachines that integrate motor and modulator subunits”, Nature Nanotechnology, 2017, 12, 540

[15] Sunghun Choi等,“Highly elastic binders integrating polyrotaxanes for silicon microparticle anodes in lithium ion batteries”, Science, 2017, 357, 279

[16] Shuo Xiao等, “A microfluidic culture model of the human reproductive tract and 28-day menstrual cycle”, Nature Communication, 2017, doi:10.1038/ncomms14584

[17] Monica M. Laronda等, ”A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function in sterilized mice”, Nature Communication, 2017, doi:10.1038/ncomms15261

[18] Chunming Liu等, “Single polymer growth dynamics”, Science, 2017, 358, 352

[19] Pinaki Panigrahi等,“A randomized synbiotic trial to prevent sepsis among infants in rural India”, Nature, 2017, 548, 407

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