X-MOL盘点：5月前沿科研成果精选

X-MOL团队从上月报道过的Nature、Science、Nature Chemistry、JACS等杂志的研究论文中，精选部分有意思的科研成果，以馈读者。

（一）Nature 封面：金纳米颗粒获得手性，要靠氨基酸和肽“使劲”

Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0034-1

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Amino-acid- and peptide-directed synthesis of chiral plasmonic gold nanoparticles

“手性”并不是有机化学中的专有名词，在自然界中“不能与自己的镜像重合”的手性现象普遍存在，除了人类的左右手，植物中的藤蔓，海洋里的海螺，也都可观察到手性。近日，韩国首尔大学的Ki Tae Nam和浦项工科大学（POSTECH）的Junsuk Rho等研究者报道了一种新的手性纳米材料生产工艺。他们用氨基酸和多肽来控制金纳米颗粒的光学活性、手性和手性等离激元共振。研究者认为，手性半胱氨酸和肽之所以可以诱导出光学活性的金纳米颗粒，是因为它们可以在纳米颗粒表面与手性氨基酸和肽的界面引起对映选择性相互作用，使得不同手性的高指数晶面具有不同的生长速率，并最终发展出手性形貌。这项研究表明使用氨基酸或多肽来控制纳米结构手性的制造工艺可以实现三维手性纳米结构的设计和制造，方法简单易行。

（二）有机化学“颠覆性”成果登Nature 封面：S_N1 反应的手性之路

Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0042-1

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Quaternary stereocentres via an enantioconvergent catalytic S_N1 reaction

饱和碳原子的亲核取代反应是有机化学中最经典的反应之一。由于碳正离子中间体固有的不稳定性、高反应活性及平面结构，历经S_N1过程的反应往往很难控制产物的分布和立体选择性，特别是手性季碳中心立体选择性的调控，一直是悬而未决的难题。近日，哈佛大学的Eric Jacobsen教授团队找到了解决该问题的方法。在手性氢键给体催化剂与Lewis酸促进剂的协同作用下，他们在低温条件下捕获了外消旋底物通过S_N1反应机制生成高度活泼的三级碳正离子中间体，有效避免了碳正离子中间体的重排、消除等副产物生成，成功实现了反应对映选择性的高水平调控，并合成了一系列具有季碳中心的手性化合物。这一工作解决了100多年来制约S_N1亲核取代反应发展的世纪难题，并证明了S_N1反应中的离子对机理，为全取代碳立体中心的对映选择性构建带来了新的思路和方向。

（三）无视王水和烧碱，还很强韧——Nat. Mater. 封面上的全有机超疏水涂层了解一下？

Nat. Mater., DOI: 10.1038/s41563-018-0044-2

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All-organic superhydrophobic coatings with mechanochemical robustness and liquid impalement resistance

超疏水现象在自然界中广泛存在，荷叶、蝴蝶翅膀以及一些甲虫的外壳，都呈现超疏水状态。构筑高性能超疏水涂层常用的策略有三种：基于仿生策略赋予涂层自修复性、构筑表层与内部结构和性能一致的均相涂层、构筑柔性涂层。近日，英国伦敦大学学院（UCL）的Manish K. Tiwari课题组综合利用上述策略的后两种，构筑了一种柔性的全有机纳米复合物超疏水涂层，其中包含氟化环氧树脂、全氟聚醚和含氟聚合物纳米颗粒。该涂层展现出优异的机械稳定性，能够耐受苛刻的腐蚀环境（例如王水和氢氧化钠溶液），并且能够有效耐受高速液滴和液流的冲击而不被破坏和穿透。同时，这种涂层可通过喷涂、涂刷等常规方法施用在待处理的表面，应用工艺十分简便，无疑将极大的拓展超疏水涂层的应用空间。

（四）辉瑞Science 唱罢，默沙东Nature 登场：高通量自动化反应筛选的“军备竞赛”

Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0056-8

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Nanoscale synthesis and affinity ranking

2015年1月，默沙东公司（在美国和加拿大称“默克”，此外的其他国家和地区称“默沙东”）的Tim Cernak等研究人员报道了一种自动化高通量化学反应筛选平台（Science, 2015, 347, 49-53，点击阅读相关）。3年之后，另一个制药巨头辉瑞也推出了自己的自动化高通量反应筛选平台（Science, 2018, 359, 429-434，点击阅读相关）。辉瑞的文章发表之后仅3个月，默沙东的Tim Cernak等人就在Nature 上发表文章，对他们之前报道的自动化高通量反应筛选平台进行了“大规模”升级，增加了一项重要功能——化合物生物活性测试。具体来说，在高通量的纳摩尔量级（每个反应消耗少于0.05毫克底物）偶联反应完成后，使用无需标记的亲和选择-质谱法（Affinity-selection mass spectrometry，ASMS）直接测定反应产物对靶标蛋白的亲和性，并进行排序，无需常规方法中极其耗时的纯化步骤，也避免了大量无亲和活性候选化合物的合成、分离等工作。他们将这种高通量纳摩尔量级合成和亲和性筛选排序一体化的新技术命名为NanoSAR（Nanoscale synthesis and affinity ranking）。结果表明，该技术可帮助他们快速地从3114个纳摩尔量级的偶联反应中筛选出可抑制靶标蛋白激酶CHK1的产物及其合成条件，大大加快了先导药物发现的速度，降低了稀缺原料的用量。并且，NanoSAR技术所发现的一些具有潜在活性的化合物，用常规手段完全无法发现。

（五）真正解决塑料污染问题，或从此文开始

Science, DOI: 10.1126/science.aar5498

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A synthetic polymer system with repeatable chemical recyclability

当前的塑料制品循环再利用工艺，大多是包括清洗、破碎、重熔等步骤的物理再加工过程，能覆盖的塑料种类有限，而且再加工过程往往伴随着塑料的品质降低。而聚乳酸等生物可降解塑料，也仅仅是“生物可降解”，降解产物很难回收再用于生产塑料制品。美国“总统绿色化学挑战奖”获得者（点击阅读相关）、科罗拉多州立大学（CSU）的华裔化学家Eugene Y.-X. Chen教授团队设想，能否通过单体设计和反应条件选择，让塑料在容易实现的特定条件下降解成最初的单体原料再加以回收利用呢？2015年底，他们在Nature Chemistry 上发表了令人惊喜的研究成果——真正化学意义上“可回收”的生物塑料（Nat. Chem., 2016, 8, 42–49，点击阅读相关）。使用生物质衍生化合物γ-丁内酯（GBL）为单体，在镧（La）金属催化剂存在和低温条件下实现单体的开环聚合，得到了线形与环状两种聚合产物，最高转化率高达90%。更重要的是，这种聚合物可以在加热条件下降解为GBL单体，实现降解循环利用。不过，这些生物塑料也存在一定问题，比如聚合反应要求低温环境，所得聚合物耐热性一般、分子量较低、相对较软。近日，Eugene Y.-X. Chen教授团队报道了最近进展，他们设计了一种在α和β位具有反式环稠合的γ-丁内酯衍生物作为单体，使用极少量的催化剂，可在室温、无溶剂条件下高效地发生聚合反应。生成的高分子量聚合物具有良好的热稳定性和结晶性，并且同样可以热解或化学法降解为原始单体，如此聚合-降解过程还可反复多次。

（六）南开大学团队Nature Chem.：钯催化的分子内C(sp³)-H键芳基化反应合成环肽

Nat. Chem., DOI: 10.1038/s41557-018-0006-y

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A general strategy for synthesis of cyclophane-braced peptide macrocycles via palladium-catalysed intramolecular sp³ C−H arylation

大环化反应是从简单线性的前体化合物构建复杂分子结构有效的方法之一。南开大学元素有机化学国家重点实验室的陈弓（Gong Chen）教授课题组设想利用环芳基大环（cyclophane）的特殊性质，通过C-H键官能化策略构建这种具有独特苯环支撑架的环肽结构。最近，他们与合作团队利用8-氨基喹啉（AQ）导向的Pd催化分子内的C(sp³)-H键的芳基化策略，发展了一种普适的合成环肽的方法。这是环肽分子合成领域的一个重要突破，反应效率高、操作简单，对不同长度和组成的肽链都具有良好的兼容性，为多肽类药物的合成及研发提供了新的途径。从合成的环肽分子库中，研究团队发现了一种先导化合物可高选择性、高活性地抑制一类Myc依赖性癌细胞的增殖，为下一步的药物开发奠定了基础。

（七）抑制剂让聚合物材料制备加速100倍，能耗减少10000000000倍

Nature,DOI: 10.1038/s41586-018-0054-x

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Rapid energy-efficient manufacturing of polymers and composites via frontal polymerization

二环戊二烯（DCPD）能够通过前端开环易位聚合（frontal ring-opening metathesis polymerization，FROMP）得到具有优异力学性能和稳定性的热固性聚合物pDCPD（图2a），并且聚合过程能够释放大量的热量，DCPD单体本身粘度也相当低。但是聚合进行的太快了，导致适用寿命（pot life）非常短，有些情况下甚至只有数秒，这极大地限制了它的实际应用。对此，最直接的解决办法是在Grubbs催化剂和DCPD的聚合体系中加入抑制剂，例如三苯基膦能够将适用寿命提升到1分钟，而4-二甲氨基吡啶能够提升到30分钟。去年，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）Jeffrey Moore教授和Scott White教授等人发现，使用烷基亚磷酸酯作为抑制剂，能够将适用寿命提升到最多30小时。最近，他们将DCPD的亚磷酸酯抑制FROMP策略用于制备高性能热固性聚合物及其碳纤维增强复合材料。与常规固化相比，这种前端聚合策略在制备大组件时（比如900 cm²的波音787机身组件）能够将反应时间缩短2个数量级，能耗降低10个数量级。此外，这项技术还可配合类似3D打印、压印等多种技术，制备具有微观图案及宏观复杂结构的组件，应用前景十分广阔。

（八）Chem 封面：把酶“关进”MOF的孔道里，它会做得更好

Chem,DOI: 10.1016/j.chempr.2018.03.001

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Hierarchically Engineered Mesoporous Metal-Organic Frameworks toward Cell-free Immobilized Enzyme Systems

酶（enzyme）作为生物催化剂，优点非常鲜明，活性高、特异性好、反应条件温和；不过它们的缺点也一样鲜明，化学稳定性及热稳定性差、容易失活、分离纯化困难、成本高、普适性差。近日，美国西北大学的Omar K. Farha教授、Peng Li博士联合2016诺贝尔化学奖得主J. Fraser Stoddart教授等人报道了新的进展，他们利用NU-100x（x = 3, 4, 5, 6, 7）系列锆基MOF，通过调控其多级介孔孔道尺寸，实现无细胞条件下的酶的固定化负载。以乳酸脱氢酶（LDH）为例，负载在NU-100x大孔中的酶可以很好地接触烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶（NAD和NADH）与底物，可实现辅酶的原位再生，使得酶体系的活性比游离酶还要高。这一发现利用MOF材料为载体，实现了高效的无细胞酶催化生物合成，有望在未来用于生物燃料生产和生物质转化等领域。

（九）Making Smart Drugs Smarter：基于“浓集激活”的前药策略，开启前药设计的新篇章

Nat. Chem., DOI: 10.1038/s41557-018-0055-2

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Enrichment-triggered prodrug activation demonstrated through mitochondria-targeted delivery of doxorubicin and carbon monoxide

智能药物是将靶向分子和药物分子连在一起的前体药物或前药（prodrug），就如同导弹一样，在靶向分子的指引下将所带药物精确地送达预期的靶部位，从而达到高特异性的浓集作用。然而，只把药物浓集到靶部位还是不够的，接下来需要将具有生物活性的原药物“弹头”释放出来，这也是非常关键的一步。最近，通过linker chemistry的巧妙设计，美国佐治亚州立大学化学系王炳和（Binghe Wang）教授课题组开发了基于“浓集激活（enrichment-triggered activation）”的前药策略，在很大程度上解决了可控释放这一难题。简单的说，该策略利用click反应的动力学来实现母体药物在靶部位的特异性释放。在体循环过程中，参与click反应的双组分浓度较低（如10 μM），因此二者之间的click反应会非常慢（如t_1/2> 100 h, k =~0.2 M^-1s^-1），相应母体药物的非特异性释放可忽略。而当靶分子将二者浓集到靶部位后，由于局部浓度的显著增加（如400 μM），二者之间的click反应速率也会增加（如t_1/2 = 2h），因此母体药物也就能特异性地在靶部位释放。

（十）有机合成常见策略，启发纳米颗粒制备大突破

Science,DOI: 10.1126/science.aar5597

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Tunable intraparticle frameworks for creating complex heterostructured nanoparticle libraries

如今纳米颗粒的应用领域前所未有的广阔，不过随着研究和应用的发展，科学家和工程师们发现更好的性能往往需要纳米颗粒具有更复杂的结构，在一个纳米颗粒里包含各种类型的半导体、催化剂、磁体或其他材料，同时粒径、形貌和内部界面还要满足严格的要求。这些要求非常苛刻，如果希望在实验室中合成出来，除了需要高超的技巧和严格的限制，很多时候还得期望有好运气。近期，美国宾夕法尼亚州立大学（PSU）Raymond E. Schaak教授课题组在复杂和不对称纳米异质结构的溶液合成中取得重大突破。他们提出一种“混搭”策略，从简单易得的硫化铜纳米颗粒开始，通过阳离子交换反应引入各种类型的界面和结（junction）；再以这些界面和结作为颗粒内框架，进一步反应可以继续引入更多新元素，呈现更丰富的形貌，满足更多样的应用需求。获得不同纳米结构。基于这种“混搭”策略，他们在文中轻松实现了47种复杂纳米异质结构的模块化可控合成，充分证明了该方法的可控性和普适性。