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X-MOL盘点:12月化学前沿科研成果精选

X-MOL团队NatureScienceNature ChemistryJACS等杂志发表的化学领域研究论文中,精选上月部分有意思的科研成果,以馈读者。

图片来源:昵图网


(一)箭毒蛙毒素(-)-batrachotoxin的首次不对称合成


Science, DOI: 10.1126/science.aag2981

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Asymmetric synthesis of batrachotoxin: Enantiomeric toxins show functional divergence against NaV


箭毒蛙毒素[(-)-batrachotoxin, BTX](Scheme 1A)是一种甾体类生物碱,作用于心脏和神经系统,不可逆地与电压门控钠离子通道(NaV)结合,迫使其保持持续“开启”的状态,从而切断神经信号传递导致麻痹和心力衰竭,直至死亡。钠离子通道与多种疾病都有关系,比如癫痫、心脏疾病和疼痛,箭毒蛙毒素可以帮助科学家们更好地研究钠离子通道。不过,箭毒蛙毒素目前只能从箭毒蛙中提取,随着箭毒蛙日渐濒危,箭毒蛙毒素的供应越来越困难。哈佛大学的Yoshito Kishi等人1998年曾报道了(±)-Batrachotoxinin A的全合成(JACS, 1998, DOI: 10.1021/ja981258g)。直到最近,美国斯坦福大学的Justin Du Bois教授课题组终于完成了箭毒蛙毒素(-)-BTX的首次不对称合成。另外,作者也得到了(-)-BTX的苯甲酸酯衍生物(BTX-B)及其对应异构体(ent-BTX-B)。有意思的是,BTX-B和ent-BTX-B对NaV都有很强的作用,且活性相当;BTX-B对NaV的作用是不可逆的,作为激动剂让NaV一直保持“开启”状态;而对映异构体ent-BTX-B对NaV却是拮抗剂的作用,可逆地关闭钠离子通道。并且,BTX-B和ent-BTX-B与NaV的内核区域结合位点具有重叠但并不相同的结合位点。同一个分子的不同镜像结合同一个靶标,展示相似的亲和性和不同的活性,这确实相当少见。


(二)可穿戴传感器,测汗水知健康


Sci. Transl. Med., DOI: 10.1126/scitranslmed.aaf2593

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A soft, wearable microfluidic device for the capture, storage, and colorimetric sensing of sweat


近日,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校John A. Rogers课题组报道了一种穿戴的传感器设备,这种设备只有硬币大小,轻巧且柔软,可以紧密地贴在皮肤上。该传感器基于微流体系统,可以直接从皮肤表面获取汗水,并分析汗水的成分,从而反映身体的健康状态这种可穿戴的微流体设备包括四个传感单元,分别测量不同物质的含量,包括氯化物、葡萄糖、pH值和乳酸。每个传感单元都有一个相应的颜色——蓝、黄、橙和红,颜色的亮度与被测量物质的含量相关。测量结果的读取也很简单,使用智能手机打开App,拍个照即可获得结果。这些结果可以直接反应身体的健康状况,比如电解质平衡、脱水程度、血糖水平等。这个可穿戴的传感器设备由三部分叠加而成:(1)首先是一层与皮肤相连的粘合层用来收集汗水。使用医用丙烯酸酯材料,不但安全可靠不刺激皮肤,而且可以和皮肤紧密粘合(~5.7 N)。(2)其次是微流体通道和四个圆形的传感器,当有汗液流过时,可以分别与汗液中的氯化物、葡萄糖、乳酸等发生化学反应,并发生颜色变化。(3)最后是环形天线,可以通过近距离无线通讯技术(NFC)与手机等外部设备连接。该设备除了可以收集汗水用于检测佩戴者的身体状况,还可以通过类似的方法收集并检验如眼泪、唾液或流血的伤口等其他液体,其优点是采样量极小(小于50 μL),检测时间短,能够尽早捕捉到检测者的早期症状,有利于快速采取防治措施。


(三)格氏试剂,技能升级


Nature Chem., DOI: 10.1038/nchem.2672

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Rapid heteroatom transfer to arylmetals utilizing multifunctional reagent scaffolds

有机金属试剂在有机合成中的地位非同寻常,以有百年历史并得过诺奖的格氏试剂为例,它们亲核性极强,可以与很多亲电试剂反应形成C-C键,算得上是有机合成化学中最经典的试剂之一。不过,与引入C-C键相比,通过芳基金属试剂形成C-N键、C-O键从而引入氨基或者羟基要困难的多,这主要是由于缺乏有效的氮或氧转移试剂。最近,美国莱斯大学László Kürti杨百翰大学Daniel H. Ess等人利用他们开发的稳定性良好的氮-氢-氧杂吖丙啶(N-H oxaziridine)氮-烷基-氧杂吖丙啶(N-alkyl oxaziridine)作为胺基和羟基转移试剂,与上百种芳基格氏试剂反应,实现芳胺和酚类化合物的一步合成。这一方法试剂廉价易得,反应温度低,不需要特殊的反应设备、催化剂及配体,底物兼容性还很不错。未来,Kürti教授希望能有试剂生产商可以在市场上供应氧杂吖丙啶,这样化学家们就能更容易使用这一方法,来创造自己想要的氨基或羟基取代的芳香环结构。


(四)金属有机新突破,配位诱导式均裂N-H、O-H键


Science, DOI: 10.1126/science.aag0246

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Coordination-induced weakening of ammonia, water, and hydrazine X–H bonds in a molybdenum complex


NH3作为配体被广泛应用于金属有机化学领域,目前已有成千上万的NH3过渡金属配合物被成功制备。然而,由于较高的N-H键键能,NH3作为配体一度被认为“非常惰性”。传统上N-H键的活化主要涉及过渡金属的氧化加成反应,金属氢化物的去质子化反应以及金属-配体“合作”裂解N-H键等。然而,N-H键的均裂,H以自由基的形式二聚原位生成H2的活化过程尚未被报道。近期,这一挑战性的工作最终被普林斯顿大学Paul J. Chirik教授的研究团队成功突破。Chirik教授称这一过程为“非经典(non-classical)”配位。Chirik教授课题组利用Na[BArF]将外层17个电子的一价Mo化合物[1-Cl]中Cl-离子消除,缺电子的Mo中心很容易和NH3形成配位键,成功制备了化合物[1-NH3]+。在化合物[1-NH3]+的晶体结构中,N-H键和阴离子中的CF3基团形成明显的氢键。初步研究表明,化合物[1-NH3]+中的N-H显示出较高的均裂反应活性。为了考察“配位诱导”弱化小分子强键的普适性,Chirik教授课题组分别合成了以N2H4和H2O配位的化合物[1-N2H4]+[1-OH2]+。和化合物[1-NH3]+类似,N-H和O-H键能被一价Mo金属配位诱导弱化(N-H键能34.6 kcal/mol;O-H键能33.7 kcal/mol),并且可以在温和条件下释放H2利用过渡金属中心的氧化还原属性,较强的N-H和O-H键被成功“预活化”。值得注意的是,N-H键的键能在化合物[1-NH3]+中仅为氨气分子中N-H键的一半。


(五)NMR在结构确证中的应用策略


Bioorg. Med. Chem. Lett., DOI: 10.1016/j.bmcl.2016.11.066

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NMR Strategies to Support Medicinal Chemistry Workflows for Primary Structure Determination


核磁共振(NMR)在当今有机化合物结构解析中占有举足轻重的地位。大到复杂天然产物的结构鉴定,小到有机合成产物的结构表征,NMR的身影无处不在。魁北克大学Steven R. LaPlante课题组总结了各种NMR技术在有机化合物结构解析中的应用策略,例如区域异构、几何异构、旋转异构/阻转异构、N-烷基化和O-烷基化、立体化学异构等情况。


(六)为什么欢乐易逝,痛苦难熬?


Science, DOI: 10.1126/science.aah5234

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Midbrain dopamine neurons control judgment of time

不知你有没有留意到,快乐时光总是容易流逝,而痛苦总是难熬。据说爱因斯坦跟一个好学青年解释相对论,说当他和一个美女对面而坐,过1个小时就像只过了1分钟;而如果他坐在一个火炉上,过1分钟也会觉得像过了1个小时。不管段子的真实性,但很好的说出了人们对时间判断是多么的复杂。葡萄牙里斯本的尚帕利莫未知技术研究中心的神经科学家Sofia SoaresBassam V. AtallahJoseph J. Paton发现通过调控小鼠脑的深部区域中某些神经元的活动,可以控制动物低估或高估一段固定时间间隔的持续时间。他们发现,多巴胺神经元的活动与动物的时间间隔的判断是密切相关的,这也是科学家首次在动物的大脑中确定了判断时间的神经回路。


(七)首例蛋白质催化C-Si键的形成,硅基生命成为可能?


Science, DOI: 10.1126/science.aah6219

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

碳和硅在自然界中有很多种存在形式,但是含有C-Si键或可以催化形成C-Si键的生物分子却至今没有被发现。近日加州理工学院(Caltech)的Frances H. Arnold课题组发现了首例可以催化C-Si键形成的蛋白质,通过蛋白质的定向进化,可以催化Si-H键的卡宾插入反应,产物具有近乎完美的立体选择性,比传统的金属催化剂高效15倍。这项工作也入选了美国化学会C&EN刚刚评选出的“2016年顶级科研成果”(点击阅读详细)。Arnold等人提出可以使用血红素蛋白进行Si-H的卡宾插入反应,底物分别是苯基二甲基硅烷和2-重氮丙酸乙酯,在中性条件室温条件下,作者对一系列血红素蛋白进行了筛选,结果显示一种来自冰岛海底温泉的耐高温细菌Rhodothermus marinus的细胞色素C(Rma cyt c)可以催化该反应,并且ee值高达97%。接着作者便通过蛋白质定向进化的方法,形成了三种突变型蛋白并重复了上述实验。结果显示,V75T M100D M103E可以将ee值提高到99%,并且转换数高达1500,这比传统的金属催化剂高了15倍多。这种蛋白质催化剂可以应用到更多底物中。


(八)太残暴,“石墨烯+橡皮泥”,玩出了篇Science


Science, DOI: 10.1126/science.aag2879

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Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene-polymer nanocomposites

爱尔兰都柏林圣三一学院Jonathan N. Coleman教授课题组将石墨烯纳米片(长200-800 nm、厚度约20个原子层)和轻度交联的聚硅树脂(俗称橡皮泥,silly putty)混合,得到一种敏感度很高的电力学传感材料——G-putty,可以用来检测变形和冲击等过程Coleman等人对G-putty的形貌特征、流变性质和电机械性质进行了表征。随后,他们将材料应用于传感器中,用来检测人体的指关节动作、呼吸甚至脉搏跳动。G-putty材料的电阻对极其轻微的变形或冲击非常敏感,灵敏系数可达500以上。而目前市场上常见的同类金属基传感器,灵敏系数仅在2左右(这已经足以进行应付一些日常应用了)。G-putty材料甚至可以清楚地记录一只20毫克重蜘蛛所爬过的每一步。“我很愿意说,这一切都经过了周密的计划,但事实缺乏如此。”Coleman教授在接受采访时笑着说,“我们课题组已经形成了一个传统,很乐意在科学研究里尝试那些家用的东东。”尽管在成功商业化之前还需要解决一些问题,诸如材料的大规模生产和真实环境中的长期性能测试等,但基于G-putty的传感器廉价、小巧、无创、使用方便,在医疗器械、可穿戴装备等领域有着非常光明的应用前景。


(九)锯齿状Pt纳米线,“突破天际”的ORR活性


Science, DOI: 10.1126/science.aaf9050

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Ultrafine jagged platinum nanowires enable ultrahigh mass activity for the oxygen reduction reaction


加州大学洛杉矶分校(UCLA)黄昱(Yu Huang)博士和段镶锋(Xiangfeng Duan)教授、加州理工学院William A. Goddard III教授等人合作,通过合成一维的Pt-Ni双金属纳米结构,以此为前驱催化剂,在电化学反应条件下得到了锯齿状的Pt纳米线,这种新颖的一维催化材料再一次刷新了目前ORR反应质量活性的记录。作者首先利用湿化学的方法制备了Pt-NiO的一维纳米结构。然后经过H2还原后,NiO被还原为金属Ni,得到了Pt-Ni合金纳米线。然后作者测试Pt-Ni合金纳米线的循环伏安性能,来计算催化剂的电化学活性面积。随着循环伏安圈数的增加,电化学活性面积也在不断的提高,最后达到差不多120 m2/gPt。作者对活化后的Pt-Ni纳米线进行了表征,发现催化剂中的Ni几乎都流失了,然后形成了锯齿状的Pt纳米线。这种奇特的锯齿状Pt纳米线在ORR反应中表现出非常优异的性能,一下子把以前的质量活性记录提高了一倍,达到了惊人的13.6 A/mgPt,远远的超过去过去两年在这个方向上最好的催化剂性能。


(十)聚合物纳米粒子,或可抗各种蛇毒


J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.6b10950

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Engineering the Protein Corona of a Synthetic Polymer Nanoparticle for Broad-Spectrum Sequestration and Neutralization of Venomous Biomacromolecules


抗蛇毒血清是治疗毒蛇咬伤的标准疗法,不过,这种救命药的生产方法成本高且费时费力,产品还需要冷藏,这在一些毒蛇咬伤频发的欠发达地区难以推广。科学家急需寻找一种便宜、有效、便于储运和使用的广谱抗蛇毒药物。加州大学欧文分校Kenneth Shea教授及其团队另辟蹊径,试图通过纳米科技来对抗蛇毒。早先的研究中,他们设计了一种纳米粒子,能够与蜂毒中的强力毒素——蜂毒肽(melittin)相结合,并将之从血液中清除。这一次,他们希望找到能对抗蛇毒的纳米粒子,而且,希望它能同时结合多种蛇毒毒素。他们的目标是蛇毒中广泛存在的一类蛋白——磷脂酶A2(phospholipase A2,PLA2),这类蛋白在蛇毒中有数百种之多,从轻度毒性到强大的神经毒素不等。研究人员首先选择许多不同功能的单体,如含酸性基团、碱性基团、能形成氢键的基团等,然后将它们以不同的组合和不同的浓度共聚,合成一系列多孔纳米粒子。接着,与多种蛇毒PLA2蛋白进行孵育,从中筛选出与PLA2结合力最强的纳米粒子。然后再以这些纳米粒子为起始原料,重复几轮上述合成-筛选过程,实现纳米粒子的定向合成进化。经过优化聚合物纳米粒子组成之后,研究人员最终找到了能和多种PLA2蛋白特异性紧密结合的纳米粒子该纳米粒子有望用于广谱的抗蛇毒治疗,并且对人体细胞没有毒性。


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