实验证据支持碱性溶液中氢氧化反应的双功能机理

注:文末有本文作者科研思路分析碱性聚合物燃料电池产业化的一大主要限制因素在于其阳极氢氧化反应(HOR)缓慢的动力学。目前学术界对HOR电极反应机理仍存在较大的争议。近日,东北大学的贾晴鹰教授和上海交通大学的马紫峰教授通过原位X射线吸收谱和电化学表征等技术首次在HOR电位区间于铂钌合金表面直接观测到OHads,并证实了其对HOR反应的催化作用,从而重新提出了双功能机理。现阶段对HOR电极反应动力学的主流理论为氢吸附能理论(Hydrogen Binding Energy Theory, HBE)。该理论认为HOR反应的动力学仅取决于氢在金属表面的吸附强度,即M-H键键能。M-H键键能和氢在贵金属表面的欠电势沉积(HUPD)峰位置呈线性相关。相对于铂电极的HUPD峰而言,铂钌双金属系统的HUPD峰电位更低,从而成为支撑HBE理论强有力的证据。作者通过对铂钌合金、表面电化学沉积的铂钌双金属系统以及单金属铂和钌的HUPD 峰的分析,证实了铂钌双金属系统及单金属钌在碱性溶液中的HOR活性与Pt-H键能没有显著的关联,从而推翻了目前广泛认同的HBE理论。一氧化碳氧化剥离(CO stripping)实验表明,在表面电化学沉积的铂钌双金属系统中,在低电位区间(< 0.4 V),一部分金属钌表面吸附了OHads。此外,作者利用原位X射线吸收谱首次实验观测到在HOR电位区间存在OHads,并进一步证明OHads通过双功能机理(Bifunctional Mechanism)促进HOR反应决速步骤(Volmer step: M-Hads + M-OHˉ → M +  H2O + eˉ)的进行,从而提高了HOR反应的动力学。该工作对HOR电极反应动力学进行了深入的研究,对广泛认同的氢吸附能理论提出质疑,并首次提出支持双功能机理的直接实验证据,为HOR催化剂的设计及开发提供了重要的理论基础。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是李景坤,通讯作者为上海交通大学的马紫峰和东北大学的贾晴鹰。该论文作者为:Jingkun Li, Shraboni Ghoshal, Michael K. Bates, Todd E Miller, Veronica Davies, Eli Stavitski, Klaus Attenkofer, Sanjeev Mukerjee, Zi-Feng Ma and Qingying Jia原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Experimental Proof of the Bifunctional Mechanism for the Hydrogen Oxidation in Alkaline Media Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15594, DOI: 10.1002/anie.201708484导师介绍马紫峰http://www.x-mol.com/university/faculty/12611 科研思路分析Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?A:如上所述,这是一项基础研究。我们对这个研究项目的兴趣在于挑战一个在电化学领域最基础、简单的反应(HOR)中目前广为接受的机理(HBE),并提出自己的新观点。Q:研究过程中遇到哪些挑战?A:最大的挑战在于克服思维定势重新审视已经广泛接受的理论或实验证据,比如我们对铂钌合金HUPD峰位和CO stripping实验结果的重新解读成为我们放弃HBE理论,进而支持双功能机理的关键。Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?A:该研究成果对碱性聚合物燃料电池阳极催化材料的制备具有重要的理论指导意义,对新能源,尤其是燃料电池产业具有一定的帮助。

来源: X-MOL 2018-02-07

仿乳酸消旋酶的蝎型催化剂计算设计

近日,中国科学院化学研究所的杨新征(点击查看介绍)团队受乳酸消旋酶活性中心结构和反应机理的启发,计算设计了一系列有潜力高效催化乳酸消旋反应的蝎型催化剂(图1)。图1. (SCS)Ni钳形配合物催化的乳酸消旋反应乳酸是自然界最小的手性分子,在食品、医药、精细化工等领域具有广泛的应用。乳酸有L-与D-乳酸两种光学异构体,其中D-乳酸参与细菌细胞壁的合成。自然界中生物得到乳酸的方式主要有两种,一种是丙酮酸在相应乳酸脱氢酶(L-LDH和D-LDH)的作用下得到对应的乳酸(L-乳酸和D-乳酸),另一种是在乳酸消旋酶(Lactate racemase)的作用下L-乳酸与D-乳酸之间相互转化。最近,Desguin等人解析出植物乳杆菌内乳酸消旋酶的晶体结构,发现其活性中心是SCS配体与Ni螯合的钳形配合物(图2)。这是首次在天然金属酶的活性中心发现的钳形结构,为设计非贵金属小分子乳酸消旋化催化剂提供了重要的借鉴。图2. Desguin等人报道的乳酸消旋酶活性中心晶体结构通过对乳酸消旋酶活性中心结构和催化机理进行研究,杨新征团队受蝎子形状的启发,保留配合物中的SCS钳形结构,以与金属配位的碳作为蝎嘴用来“吃”hydride,同时用带有两个碳链的咪唑为蝎尾来“叮”proton,使氢转移反应能够顺利进行,从而构建了一系列具有蝎型结构的配合物(图3),并计算预测了其催化乳酸消旋化反应的潜力。图3. 杨新征团队提出的蝎型配合物结构以配合物A为例,其可能的催化乳酸消旋机理如下图4所示。图4. 配合物A催化乳酸消旋化反应的Proton coupled hydride transfer机理杨新征团队利用密度泛函理论(DFT)的方法计算预测了上述SCS钳形配合物催化乳酸消旋化反应的详细机理。新设计的结构中能垒最低为25.9 kcal/mol,表明其可在较温和的条件下催化乳酸的消旋化反应。除此之外,这些新型SCS配体的特点在于蝎尾的C−C单键可以自由旋转,使新设计的配合物在反应中具有很大的空间灵活性,有潜力催化更多醇类分子的手性转化。该研究不仅仅提出了可供实验合成的新型催化剂的结构,同时也揭示了SCS钳形配体的潜在用途,为进一步设计不对称氢化、脱氢的非贵金属催化剂提供了良好的借鉴和思路。这一成果近期发表在Chemical Communications 上,文章的第一作者是中科院化学研究所的博士研究生邱兵。该论文作者为:Bing Qiu, Xinzheng Yang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):A bio-inspired design and computational prediction of scorpion-like SCS nickel pincer complexes for lactate racemizationChem. Commun., 2017, 53, 11410, DOI: 10.1039/C7CC06416K导师介绍杨新征http://www.x-mol.com/university/faculty/31087

来源: X-MOL 2018-02-03

钙钛矿热力学稳定性的新规律

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有材料组分可调、制造成本低、兼容柔性结构等优点,有望引领光伏技术未来的发展方向。目前,钙钛矿太阳能电池的实验室光电转换效率已经超过22%,达到产业化薄膜太阳能电池(CdTe, Cu2(In,Ga)Se2)的水平。当前,稳定性成为阻碍钙钛矿产业化的最大问题。钙钛矿稳定性的问题大体可分为两方面:一是钙钛矿材料本身具有物理不稳定性,即材料本身分解能较低,离子容易发生扩散,分解为各种次元相;二是钙钛矿材料具有化学不稳定性,容易与环境中的水分子、空气发生反应,光照下发生相分离。这两方面的不稳定性又相互关联影响。尽管钙钛矿稳定性的问题非常重要,但理论上对其深层次的理解却进展缓慢。目前广泛采用的衡量钙钛矿稳定性的容忍因子(tolerance factor,简称t,参见图1)早在1926年由Goldschmidt提出,距今已近百年。尽管t一定程度上仍在指导实验合成稳定的钙钛矿材料,但作为稳定性的判据显然过于简化。更多的理论和实验表明,t与稳定性没有明显的定量关系。图1. 立方相钙钛矿的晶体结构,结构因子t、μ、η 的定义;rA、rB、rX为A、B、X的离子半径,VA、VB、VX为A、B、X的原子体积,a为晶格常数。最近,苏州大学能源与材料创新研究院的尹万健(点击查看介绍)课题组利用第一性原理计算的方法,系统研究了138种立方钙钛矿材料的热力学稳定性,其中包括12种三元卤族钙钛矿、18种三元硫族钙钛矿、72种四元卤族双钙钛矿、36种四元硫族双钙钛矿(具体材料见图2)。作者发现,立方钙钛矿的热力学稳定性与容忍因子t没有明显的定量关系。考虑到t只描述了钙钛矿材料框架的稳定性,作者根据Pauling第一法则引入了八面体因子(octahedral factor μ)。八面体因子μ描述了钙钛矿ABX3中八面体BX6的稳定性。作者进一步以t为横坐标,μ为纵坐标构建二维t-μ 图(图3),发现稳定的钙钛矿(分解能大于0)与不稳定的钙钛矿(分解能小于0)在该图中具有明显的分界线。这意味着,只要知道钙钛矿的元素构成(离子半径),人们即可以大体判断钙钛矿是否可以形成。图2.(a)立方相钙钛矿与(b)立方双钙钛矿晶体结构图,该工作考虑的138种钙钛矿可以看成分别由(c)CsPbI3和(d)CaZrS3进行同价原子替换和B位异价原子演化而来。虽然t-μ 图能够判断钙钛矿是否可以形成,但对于两种存在的钙钛矿材料,哪种更为稳定则需要定量的判据。该问题对于实验上如何进一步稳定已存在的钙钛矿材料具有直接的指导意义。受t-μ 图稳定-不稳定分界线的启发,作者发现分解能和μ+t 具有明显的线性关系[图4(a)],并进一步引入堆积比η,将η置于μ+t 的幂指数位,线性规律得到进一步改善[图4(b)]。因此,他们得出结论,钙钛矿的热力学稳定性正比于(μ+t)η。以该因子作为稳定性判据(stability descriptor)来判断钙钛矿的相对稳定性,正确率达到90%。而采用之前人们一直在使用的t作为判据,相对稳定性的准确率只有70%左右。图3. t-μ 结构图。红点代表分解能为正(稳定),黑点代表分解能为负(不稳定);红色字体表示实验上合成了立方相的钙钛矿,黑色字体表示实验上合成了此类化合物但不是立方相结构。图4. 分解能与(a)(μ+t )、(b)(μ+t)η的关系,卤族钙钛矿为蓝色,硫族钙钛矿为橙色。综上所述,该工作发现了立方钙钛矿的热力学稳定性规律,改进了近百年来人们一直使用的容忍因子t,提出了新的稳定性判据(μ+t)η,将钙钛矿相对稳定性判断的准确度从约70%提高到了约90%。同时,作者进一步利用他们在138种钙钛矿中总结出的判据预言另外69种新钙钛矿材料的分解能,得到与第一性原理计算十分符合的结果,证明该判据具有一定的普适性。新的稳定性判据可用于精确调控钙钛矿材料的组分,从而提高其稳定性,也可作为理论上高通量筛选新型稳定钙钛矿材料的有效准则。相关成果发表在Journal of the American Chemical Society 上,文章的第一作者是苏州大学能源与材料创新研究院的博士生孙庆德。该论文作者为:Qingde Sun and Wan-Jian Yin原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Thermodynamic Stability Trend of Cubic PerovskitesJ. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 14905, DOI: 10.1021/jacs.7b09379导师介绍尹万健http://www.x-mol.com/university/faculty/47877

来源: X-MOL 2018-01-31

计算模拟揭示酶催化选择性的动态学起源

酶不仅在自然界的各种生命过程中都扮演着重要的角色,作为已知最高效的催化剂,酶在精细化工、新药研发、能源石油和环境催化等领域也发挥着至关重要的作用。酶促反应的机制研究一直是化学与生物学中的核心问题。基于经典力学和量子理论的计算模拟可以极大弥补实验手段的限制,为从原子层面理解酶促反应机理提供结构和能量等关键信息。酶促反应机理的复杂性之一来源于酶本身的多尺度特性。酶折叠发生于微秒到毫秒之间(10-6-10-3秒),局域的alpha-螺旋或beta-折叠等结构单元的运动存在于纳秒级(10-9 秒),而氨基酸残基的运动以及化学键的振动则发生于飞秒到皮秒(10-15-10-12 秒)层面。如果把蛋白比喻成一个人,那么蛋白折叠可以理解为人的坐卧,局域结构单元运动可以理解为抬胳膊踢腿,而氨基酸残基运动更像是抖动。在酶促反应中,纳秒尺度及以上的构象变化一直被认为对化学反应性和选择性有极大的干扰。而酶的氨基酸在亚皮秒层面的运动(以下称“超快运动”)是否左右化学反应,却一直是学界争论的焦点。值得一提的是,在分子反应动态学领域,超快运动对化学反应的影响早已被广泛研究,并被定义为“非统计效应”(non-statistical effects)或“动态学效应”(dynamical effects)。来自加州大学洛杉矶分校的Kendall N. Houk(点击查看介绍)团队,近年来一直致力于研究有机化学反应在单分子层面与飞秒尺度上的动态学机理。在前期工作中,Houk团队与Singleton团队(TAMU)以及Hung-wen Liu团队(UT Austin)合作,发表了第一个单功能Diels-Alder酶SpnF在气相条件下的催化反应机理(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 3631-3634)。这项研究意外发现反应中存在一个分叉过渡态(ambimodal transition state),即通过同一个过渡态可以生成不同的[4+2]产物和[6+4]产物,分布比例为2.5:1。这种现象虽然听上去复杂,但如果我们用山来比喻反应的话则不难理解。大多数反应都是由过渡态连接一个反应物与一个产物,如同上下山都是一条路。而分叉反应更像是一条路上山,而下山的时候却一条分成两股,导向不同的产物。有趣的是,这样得到的两种产物虽然经过了同一个能垒,但依然会有选择性。这种选择性来源于分叉口附近反应分子的碰撞,与分叉后两条路坡度的差异。不同于经典化学理论中的热力学(thermodynamics)控制与动力学(kinetics)控制,这种选择性发生于亚皮秒的时间尺度上,被称为动态学(dynamics)控制。图1. 分叉过渡态与势能面。两种产物A与B的分布比例由动态学控制决定。为了研究SpnF酶和水溶液对分叉反应的影响,Houk团队发展了新的凝聚相反应动力学方案,一种基于环境微扰的过渡态采样方法(Environment-Perturbed Transition State Sampling method, EPTSS)。这套方案准确的重复出了实验上跨环Diels-Alder反应在水溶液与SpnF酶中的自由能垒和动力学同位素效应。研究人员发现底物的过渡态在水和酶介质中采取了不同的优势构象,并分别将其命名为DA过渡态和分叉过渡态。研究结果表明水溶液中反应采取DA过渡态,而酶SpnF中采取分叉过渡态。这些差异主要取决于环境的差别导致的分子内氢键的成断。为了回答“酶是否能在亚皮秒时间尺度上影响催化反应选择性”这一问题,研究人员针对分叉过渡态(TS-B)对比了水与酶环境对 [4+2]/[6+4]产物比率的影响。发现了在水中的比率为1.6:1.0,而在SpnF酶中为11:1。这项研究揭示了酶在亚皮秒时间尺度上对反应选择性产生的巨大影响。图2. 反应在水溶液与SpnF酶中模拟得到的特征轨线。其中(a)与(b)为反应在水溶液相中经过同一个过渡态得到[4+2]与[6+4]产物,而(c)与(d)分别为反应在SpnF酶中经过同一个过渡态得到[4+2]与[6+4]产物。该研究的共同第一作者为加州大学洛杉矶分校的杨中悦博士、杨松、余沛源博士以及山东大学访问学者李延伟博士。该论文作者为:Zhongyue Yang, Song Yang, Peiyuan Yu, Yanwei Li, Charles Doubleday, Jiyong Park, Ashay Patel, Byung-sun Jeon, William K. Russell, Hung-wen Liu, David H. Russell, Kendall N. Houk原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Influence of water and enzyme SpnF on the dynamics and energetics of the ambimodal [6+4]/[4+2] cycloadditionPNAS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1719368115导师介绍Kendall N. Houkhttp://www.x-mol.com/university/faculty/843

来源: X-MOL 2018-01-24

化学所在理论计算预测双铁加氧酶含氧活性中间体结构研究方面取得系列进展

自然界生物体中广泛存在一类活性中心含有两个铁原子的双铁加氧酶。研究双铁加氧酶含氧活性中间体的结构,对揭示其活化O2的机制非常关键。然而,由于含氧活性中间体的活性高/不稳定,用传统的X-ray单晶衍射方法获取其结构非常困难,通过理论化学预测双铁加氧酶含氧活性中间体的结构,成为当前该领域的重要研究前沿。 在中科院化学所理论计算化学平台项目和国家自然科学基金委的支持下,化学所光化学院重点实验室的科研人员在理论计算预测双铁加氧酶含氧活性中间体结构研究方面取得系列进展。在前期工作中,针对蓝藻醛去甲酰化加氧酶(cADO),科研人员对其含氧活性中间体结构、57Fe穆斯堡尔谱参数、底物氧化机理等,开展了多尺度QM/MM(混合量子力学/分子力学)理论计算模拟研究,证实了其中间体结构是O2与醛底物形成的过氧半缩醛结构(图1),而不是以往通常认为的过氧化物结构。研究还发现,O2、醛底物、对称双铁中心三者间的相互作用,具有左右不对称性(图1),在含氧活性中间体形成时,作为双铁配体的一个组氨酸残基会罕见地从双铁中心解离。该工作也显示QM/MM水平的57Fe穆斯堡尔谱模拟,在双铁加氧酶含氧活性中间体预测方面具有应用潜力(J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, 4427-4432)。图1 计算得到的cADO含氧活性中间体结构及其57Fe穆斯堡尔谱参数最近,针对目前仅有的两种双铁芳胺加氧酶AurF和CmlI,利用多尺度QM/MM模拟结合57Fe穆斯堡尔谱模拟,科研人员首次提出了这两种酶含氧活性中间体P具有类似的结构。研究发现:(1)AurF和CmlI的含氧活性中间体P都具有μ-η0:η2 型O2配位的双三价铁氢过氧化物((FeIII)2-hydroperoxo)结构(图2);(2)预测的双三价铁氢过氧化物结构P可以有效介导芳胺基到亚硝基,再到硝基的芳胺氮氧化过程,其中涉及胺基孤对电子的电子耦合质子转移(PCET)过程对胺基N-H键断裂起重要作用;(3)理论计算预测的双三价铁氢过氧化物的μ-η0:η2 型O2配位结构可以解释很多双铁芳胺加氧酶实验研究中的难题,如AurF和CmlI不同的57Fe穆斯堡尔谱参数,含氧活性中间体P相对较低的O-O振动频率、含氧活性中间体P的亲电/亲核双亲反应性、以及其C-H活化的反应惰性。科研人员预言的双铁芳胺加氧酶AurF和CmlI含氧活性中间体P的结构类似性,为统一它们的酶催化反应机理提供了基础。相关结果发表在J. Am. Chem. Soc. 上。图2 理论计算预测得到的双铁芳胺加氧酶AurF和CmlI的含氧活性中间体结构该论文作者为:Chao Wang, Hui Chen原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Convergent Theoretical Prediction of Reactive Oxidant Structures in Diiron Arylamine Oxygenases AurF and CmlI: Peroxo or Hydroperoxo?J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13038-13046, DOI: 10.1021/jacs.7b06343官网报道:http://www.iccas.ac.cn/xwzx/kyjz/201710/t20171010_4871141.html

来源: X-MOL 2018-01-07

机器学习方法预测材料性能的新进展

注:文末有本文作者科研思路分析近二十年来,机器学习方法的发展为我们的生活带来了许多便利。智能网络搜索、语音识别,乃至无人超市、无人驾驶汽车等,依托于机器学习方法的新事物正迅速地在我们的生活中普及。Alpha Go的横空出世更是让世界惊叹于人工智能的潜在价值。在科研领域,大数据的理念正在改变着科研人员对未知世界的探索模式。美国在2011年提出了材料基因组计划(Materials Genome Initiative),以期加快材料的研发进程。在我国怀柔科学城的发展规划中,重点平台项目“材料基因组研究平台”现已全面开工,高通量实验+高性能计算+深度数据分析的研究模式已经成为时代发展的趋势。在非晶合金研究领域,如何设计并开发具有良好玻璃形成能力的合金,一直是一个具有重要产业价值的基础科学问题。过去,受到经验性判据的准确性和通用性的限制,新型高性能非晶合金材料的研发进程非常缓慢。如何提高材料设计的效率,寻找具有更优性能的材料,是一个非常具有挑战性的问题。最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)汪卫华研究组(EX4组)博士研究生孙奕韬在汪卫华研究员、白海洋研究员的指导下,与人民大学物理系李茂枝教授合作,采用机器学习的方法,对影响二元合金玻璃形成能力的诸多因素进行了系统的研究,建立了合金成分与性能之间的关联,并对可能的新材料进行了预测。研究过程中使用到了支持向量机(Support Vector Machine)这种方法(图1),通过构建多维空间,并在这个多维空间内对数据进行分割,从而建立输入参量与输出参量之间的关联。图1. 支持向量机方法的基本过程,包括四个主要部分:数据库的建立,模型的训练,模型的评估,以及最优模型的预测。在该研究方法下,通过不断选择新的参数对模型进行重复训练,探讨了合金的不同性质对其玻璃形成能力的影响(图2)。研究发现,参量ΔTliq(表征合金过冷能力)与合金的玻璃形成能力有最为显著的关联,而且在使用参量ΔTliq与Tfic(表征合金热稳定性)作为输入参数时,可以得到具有最佳预测效率的模型。通过对最佳模型的分析,可以看到已发现的具有良好玻璃形成能力的二元合金,其分布与模型的预测值具有很好的一致性(图3)。使用这个模型,可以对未知的合金成分进行预测,这样由深度数据分析指导设计的实验,能够极大地缩短新材料的研发周期(图4)。图2. 不同的输入参数得到的模型的预测结果。图3. 最优模型的预测结果。已发现的优秀材料与模型预测(红色区域)有很好的一致性。图4. 最优模型预测得到最佳玻璃形成能力的合金体系的成分云图。该结果表明,机器学习的方法在材料设计与研发领域具有重要的应用前景。在更全面、完善的数据库,更深入的人工智能算法支撑下,机器学习方法能够为科研人员提供更准确的信息,加速材料的研发过程。该工作作为使用新的工具对经典问题进行分析的一种尝试,得到了初步成果。这项研究结果最近发表在J. Phys. Chem. Lett. 上。上述研究工作得到国家自然科学基金项目(51571209,51631003,51461165101)、973项目(2015CB856800)和中科院前沿科学关键研究项目(QYZDY-SSW-JSC017)的支持。该论文作者为:Y. T. Sun, H. Y. Bai, M. Z. Li, W. H. Wang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Machine Learning Approach for Prediction and Understanding of Glass-Forming AbilityJ. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 3434, DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b01046科研思路分析Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?A:如上所述,我们的研究重点主要是非晶合金材料。非晶合金作为一种新兴的具有重要功能特性的材料,它仍有许多重要的问题亟待解决,玻璃形成能力就是其中之一。影响合金玻璃形成能力的因素很多,已有的理论模型只能从某个方面对其进行分析和探讨,具有很大的局限性。是否能够综合考虑各方面因素,是理论模型的一个巨大挑战。在大数据的时代背景下,机器学习这种先进的数据分析方法能够综合分析各种影响合金玻璃形成能力的实验和理论数据,建立较全面的理论模型,为解决非晶合金材料领域的关键瓶颈问题提供了新的途径和契机。幸运的是,过往几十年的实验研究让我们有足够的数据累积,而机器学习方法的不断突破,也为我们的研究提供了必不可少的条件。在这样的背景下,我们通过不断尝试,得到了上述结果。Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?A:作为一项主要内容为数据处理的工作,我们在对其的研究过程中,主要面临两个方面的挑战:一是数据库的建立。我们虽然有着长期的实验累积,但是要把我们能够收集到的原始数据转化为可以进行机器学习的数据库,需要很大的工作量。而且往往文献中报道的数据只选取了部分实验数据,而对于机器学习方法,完整的实验数据能够更有效地训练模型;二是机器学习的算法。由于此项研究属于交叉学科的研究,我们团队主要来源于物理和材料专业,缺少在机器学习领域的专业背景知识,这对我们研究的进展造成了很大的困难。未来希望能够与相关领域的学者将这项工作进一步深入,得到更有意义的结果。Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?A:这项研究最重要的意义在于展示了机器学习在非晶合金材料领域的重要应用前景。目前金属玻璃的市场规模不断扩大,这让领域内一些尚未解决的科学问题愈发关键。机器学习提供了解决问题的一个新思路,在大数据的时代背景下,不仅仅是玻璃形成能力,非晶合金材料的力学性能、磁性能、弛豫特征等关键科学问题都有可能在新的研究范式下产生重大突破。

来源: X-MOL 2017-11-23

激流回旋:亚乙烯基-乙炔异构化

自然界中,自由基是一种特别活泼的物质,它在燃烧反应、化学合成及生命过程中都起非常重要的作用。但因其太过活泼,很难用实验的方法对其性质做详细地测量。如何测量和理解自由基参与的过程是化学物理研究中的一个难题。亚乙烯基-乙炔的异构化是最简单的1,2-氢转移过程,此类过程常见于各类有机反应之中。实验和理论上对其进行详细研究,对从原子分子水平理解自由基参与的异构化过程有重要的意义。亚乙烯基比它的异构体乙炔的能量高约2.0 eV,但是异构化需要翻越的能垒只有不到0.1 eV。这个异构化过程好比高山滑雪,更好地研究其光电子谱结构有助于阐明相关的异构化动力学机制。加州大学伯克利分校Daniel M. Neumark教授、四川大学马建毅(Jianyi Ma)研究员、新墨西哥大学郭华(Hua Guo)教授等人结合高分辨率光电子成像、低温冷却阴离子慢电子速度谱成像和量子动力学计算详细研究了亚乙烯基的异构化过程,发现异构化过程的振动模式选择行为、隧穿效应、同位素效应和Fermi共振行为,揭示了自由基异构化过程丰富的物理内涵。该工作发表在Science 杂志上,对理解化学反应中自由基的异构化过程具有重要意义。Neumark教授等人发展的高分辨率光电子成像和低温冷却阴离子慢电子速度谱成像技术可以获得高分辨率的负离子光电子能谱。但由于亚乙烯基异构化能垒低造成非谐效应明显,异构化属于氢转移过程造成隧穿效应明显,比其异构体乙炔能量高很多造成亚乙烯基的振动模式会与乙炔的高能量振动态耦合。众多的效应使得高分辨率的光电子谱指认面临困难。马建毅研究员、郭华教授等人基于高精度反应势能面执行了量子动力学模拟,通过分析波函数特征确认了非谐效应和隧穿效应的作用,并发现了由于Fermi共振的存在明显地改变光电子谱的特征。HC+HC Jacobi坐标系中亚乙烯基不同振动模式下的波函数特征。其中亚乙烯基的平衡位置在(34°,126°),乙炔的平衡位置在(180°,180°)。图片来源:Science高精度光电子能谱实验和精确量子动力学计算方法研究发现,这一异构化过程强烈地依赖于亚乙烯基的振动模式,是典型的模式选择反应。出现低能量的振动模式反而比高能量的模式更有利于分子异构化的反常现象。亚乙烯基异构化过程中的振动模式选择行为。图片来源:Science此项工作是通过实验测量和理论计算结合共同解决复杂科学问题的一个范例,对于从量子态层面理解和调控分子反应过程有重要意义。文中使用的相关实验和理论方法也可用于研究小分子各种定态及动态性质,很好地展现了应用目前的实验手段和理论计算认识复杂过程的能力。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Encoding of vinylidene isomerization in its anion photoelectron spectrumScience, 2017, 358, 336-339, DOI: 10.1126/science.aao1905导师介绍Daniel M. Neumarkhttp://www.x-mol.com/university/faculty/50 Hua Guohttp://www.x-mol.com/university/faculty/6762

来源: X-MOL 2017-11-05

铜(I)基和银(I)基卤化物双钙钛矿稳定性差异的化学起因

以CH3NH3PbI3为代表的钙钛矿太阳能电池吸收材料因具有优异的光伏性能备受关注,但这些材料的毒性和较差的稳定性制约着其大规模的商业应用。最近,发展卤化物双钙钛矿被认为有望解决铅基钙钛矿的毒性和稳定性问题。其中,理论研究预测铜(I)基和银(I)基卤化物双钙钛矿有望成为无铅、稳定的太阳能电池吸收材料。其中,Cs2AgBiBr6、Cs2AgBiCl6、Cs2AgSbCl6、Cs2AgInCl6等银(I)基卤化物双钙钛矿已经实验合成。然而,这些银(I)基卤化物双钙钛矿因为能隙太大不适合用作太阳能电池吸收材料。理论研究预测铜(I)基卤化物双钙钛矿具有比相应的银(I)基卤化物双钙钛矿更小的能隙,更适合用作太阳能电池吸收材料。为此,很多课题组尝试合成铜(I)基卤化物双钙钛矿,但至今没有成功合成的报道。近日,美国托莱多大学的Yanfa Yan教授(点击查看介绍)课题组和杜克大学的David B. Mitzi教授(点击查看介绍)课题组合作,结合理论计算和实验合成发现铜(I)基卤化物双钙钛矿在热力学上是不稳定的。他们通过理论计算揭示了铜(I)基和银(I)基卤化物双钙钛矿稳定性差异的化学起因。由于铜(I)的3d轨道能量很高,铜(I)基卤化物需要通过具有较低对称性的低配位来强化轨道杂化,降低体系的能量。而双钙钛矿结构里较高对称性的六配位不利于轨道杂化,因此铜(I)基卤化物双钙钛矿难以稳定存在。与之相比,银(I)的4d轨道能量较低,即便在钙钛矿的六配位高对称环境也可能稳定存在。因此,部分银(I)基卤化物双钙钛矿在常规条件下就能实验合成。以上成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。肖泽文博士(计算)和杜克钊博士(实验)为论文的共同第一作者。该论文作者为:Dr. Zewen Xiao, Dr. Ke-Zhao Du, Wewei Meng, Prof. David B. Mitzi, Prof. Yanfa Yan原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Chemical Origin of the Stability Difference between Copper(I)- and Silver(I)-Based Halide Double PerovskitesAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 12107, DOI: 10.1002/anie.201705113导师介绍Yanfa Yanhttp://www.x-mol.com/university/faculty/39449 David B. Mitzihttp://www.x-mol.com/university/faculty/40441

来源: X-MOL 2017-10-22

YtvA LOV蓝光光受体光化学反应机理的QM/MM研究

光-氧气-电压(LOV)域是光活性蛋白的蓝光敏感部分,参与调节植物、古生菌、真菌和细菌的光响应行为,还可以调节树叶的气孔开闭以及控制植物的向光性。由于其光化学循环与能量转化、信息处理等息息相关,因而得到广泛的关注和研究。在过去的十多年里,LOV光受体暗适态(D447)的激发态动力学已经得到广泛的研究,但实验上对光适态(S390)的研究直到最近才有所报道。实验研究发现,来自枯草芽孢杆菌的蓝光光受体YtvA LOV的D447和S390有着截然不同的激发态动力学行为,但其微观机理尚不清楚。最近,北京师范大学化学学院的崔刚龙、方维海教授和德国马普所的Walter Thiel教授合作,利用高精度的QM/MM方法对D447和S390的光物理过程和光化学反应进行了系统全面的理论研究。他们发现D447态的光化学反应大致分为前期的S1→T1系间窜跃、T1态氢迁移和S0态无垒的C4a-S成键过程,整个过程相对缓慢。S390态则不同,几乎没有T1态参与。光激发至S1态后,首先发生无垒的C4a-S键断裂,生成双自由基中间体,然后内转化至S0态,发生无垒的C4a-S键复合,整个过程十分迅速。该工作是理论上首次对YtvA LOV的S390激发态动力学进行计算研究,相关研究为探究其他蓝光光受体的光响应机制提供了重要的机理信息,并发表在Angewandte Chemie International Edition 上。北京师范大学的常雪萍博士和高远君博士生为该工作的第一和第二作者。该工作得到国家自然科学基金委优秀青年基金项目、重点国际合作项目基金和创新群体的资助。该论文作者为:Dr. Xue-Ping Chang, Dr. Yuan-Jun Gao, Prof. Dr. Wei-Hai Fang, Prof. Dr. Ganglong Cui, Prof. Dr. Walter Thiel原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Quantum Mechanics/Molecular Mechanics Study on the Photoreactions of Dark- and Light-Adapted States of a Blue-Light YtvA LOV PhotoreceptorAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9341, DOI: 10.1002/anie.201703487

来源: X-MOL 2017-10-11

铜催化还原二氧化碳的偶联反应生成草酸的机理

伴随着人口的急剧增加和工业化进程的加速,二氧化碳的排放量大幅度增加,导致温室效应的加剧。因此,二氧化碳的收集和转化为其他有价值的化合物已经成为一项研究热点。2010年,来自荷兰莱顿大学的Elisabeth Bouwman课题组在Science 期刊上报道了利用一种新型的阳性铜基催化剂,通过电催化的方法将一对二氧化碳分子(CO2)转化为草酸盐(C2O42-),并随后将草酸盐释放出来的新方法(Science, 2010, 327, 313)。选择性生成草酸盐的反应比常见的生成碳酸盐和一氧化碳更为困难,但更具有应用价值。图1. 二氧化碳的偶联反应虽然这种铜(I)催化二氧化碳生成草酸盐的反应自2010年以来受到广泛的关注,但是其反应机理尚不清楚,为了弄清这一重要且不寻常的还原偶联反应,南方科技大学的钟龙华(点击查看介绍)课题组采用密度泛函理论(DFT)计算的方法进行了系统全面的计算研究。他们利用计算化学的手段,已可以从分子水平成功解释许多反应的机理,并通过理论指导实验设计和实现更多的反应(Acc. Chem. Res., 2016, 49, 1302; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 1706)。在DFT计算中,他们利用真实的反应体系(共约160个原子)作为模型,计算结果表明在铜(I)的催化体系中,草酸盐的生成的确在热力学上比常见的碳酸盐和一氧化碳的生成更为稳定。而计算结果并不支持原文作者Bouwman等人提出的双自由基偶联反应机理,即铜(I)-铜(I)催化剂首先还原和活化两分子二氧化碳,生成一种双二氧化碳自由基中间体Cu(II)(CO2•–)-Cu(II)(CO2•–),随后双二氧化碳自由基发生偶联反应生成草酸盐。图2. 原文作者提出双自由基偶联反应的机理钟龙华课题组提出了一种新的反应机理,其中一分子的二氧化碳首先被两分子的铜(I)催化剂协同还原为一种新的混合价态Cu2(I/II)(CO2•–)自由基负电荷中间体(与生物铜蛋白CuA中心的混合价态类似),随后这一中间体中二氧化碳的碳原子孤对电子在金属催化剂的辅助下,亲核进攻另一分子二氧化碳的碳原子,从而生成稳定的双核铜(II)草酸盐。计算结果揭示了新的机理涉及复杂的电子结构,其中包括一种闭壳层电子结构的反应物以及两种开壳层电子结构的偶联过渡态和产物。另外,计算表明较长的铜-铜距离有利于草酸的生成并抑制常见的碳酸盐生成。该工作发表于Inorganic Chemistry,文章的第一作者为南方科技大学的实验员蓝嘉玲,通讯作者为南方科技大学的钟龙华教授。南方科技大学的廖涛和北京大学深圳研究生院的在读博士生张同欢也对该工作做出了贡献。该论文作者为:Jialing Lan, Tao Liao, Tonghuan Zhang and Lung Wa Chung原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Reaction Mechanism of Cu(I)-Mediated Reductive CO2 Coupling for the Selective Formation of Oxalate: Cooperative CO2 Reduction to Give Mixed-valence Cu2(CO2•–) and Nucleophilic-like AttackInorg. Chem., 2017, 56, 6809, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6b03080钟龙华博士简介钟龙华,博士、博士生导师、独立课题组组长,分别在2000和2006年获得香港科技大学一级荣誉学士和博士学位,师从吴云东教授,研究金属催化反应的机理;2006年于京都大学福井謙一記念研究中心的諸熊奎治(Morokuma Keiji)教授研究组使用和发展多尺度模拟方法研究复杂的反应体系;常与世界一流实验组合作,积累了丰富的独立设计课题的能力;2013年10月起加入南方科技大学化学系,从事研究复杂化学和生物化学体系,包括生物催化反应、可持续化学和新模拟方法的发展及应用。钟龙华长期研究有机金属和生物酶反应的机制,在国外期刊上已发表49篇SCI篇论文,包括1篇Chem. Rev.、1篇Acc. Chem. Res.、13篇J. Am. Chem. Soc.、1篇Nat. Commun.、1篇Wiley跨学科综述(IF > 14)、3篇Angew. Chem. Int. Ed.、4篇Chem. Sci.、3篇ACS Catal.和3篇Wiley书籍章节,论文被ISI引用~1400次(他引~1300次,H-index: 21)。钟龙华课题组目前正在招募研究学者(有海外经历)、博士后和联合培养的博士生。招聘条件:良好的化学基础,执行能力强;具有良好的英文阅读、写作能力;积极上进,工作认真踏实、耐心仔细,有团队合作精神和严谨的科学精神。具有突出计算化学、生物或固体化学基础、经验和发表过高档次文章者可优先考虑,有意者可将个人简历和代表论文发送至oscarchung@sustc.edu.cn。导师介绍钟龙华http://www.x-mol.com/university/faculty/39474课题组链接http://116.7.234.100/cn/blog/index/id/77

来源: X-MOL 2017-10-07

疏水基团对Criegee中间体在云滴表面反应活性的影响

注:文末有本文作者科研思路分析1949年,Rudolf Criegee提出烯烃臭氧化反应会产生羰基氧化物自由基,该自由基随后被称为Criegee中间体。由于Criegee中间体具有极高的反应活性,实验中一直无法捕捉到它的存在,因而研究者对其了解甚少。2012年,Oliver Welz等人通过CH2I与O2反应首次在实验室中确定了Criegee中间体的存在,这一发现立即引起大气化学家的重视。大气中大量不饱和的烷烃会参与臭氧化反应产生Criegee中间体。这些Criegee中间体与大气中的污染物,如二氧化硫、二氧化氮等进一步反应,产生硫酸盐和硝酸盐化合物,从而导致大气气溶胶和云层的形成,对全球的气候/雾霾形成等产生重要的影响。但由于部分Criegee中间体(如最简单的Creigee中间体:CH2OO)与水分子具有较强反应活性,同时大气中水分子的浓度(1017 molecule/cm3)远大于二氧化硫(1012 molecule/cm3)等其他污染物,使得大气中部分Criegee中间体极易被水分子消耗,从而影响该中间体与二氧化硫等污染物的反应。美国内布纳斯加大学林肯分校的曾晓成讲席教授(及千人计划B教授)和Joseph S. Francisco院士领导的研究团队利用从头算分子动力学和过渡态搜索相结合的方法,系统研究了不同类型的Criegee中间体(不同种类和位置的取代基)与水分子的反应活性。研究结果表明,在气相反应中,CH2OO及anti-CH3CHOO与水分子均具有很高的反应活性,syn-CH3CHOO与气相水分子的反应活性较弱。与气相反应不同,在云滴表面,双重C原子Criegee中间体syn-和anti-CH3CHOO均表现出比最小Criegee中间体(CH2OO)低很多的反应活性。分析得出双重C原子Criegee中间体在液滴表面较低的反应活性来源于疏水甲基基团的引入,一方面增加了Criegee中间体与界面水反应时质子转移的难度(能垒较高),另一方面增加了Criegee中间体与界面水反应形成前驱体的难度。与双重C原子Criegee中间体类似,分子动力学研究表明三个C和四个C原子的Criegee中间体((CH3)2COO, syn-和anti-CH2C(CH3)C(H)OO)在云滴表面同样具有相对较强的稳定性,进一步确认了增加疏水基团在降低Criegee中间体与云滴反应活性方面的重要作用。该研究结果揭示了含疏水基团的Criegee中间体与云滴相对较低的反应活性,从而使该类Criegee中间体可以在云滴表面更易于与二氧化硫、二氧化氮等发生反应。相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition 上,并被选作当期的热点(Frontispiece)进行重点报道。文章的第一作者是内布纳斯加大学林肯分校的博士钟杰。该论文作者为:Jie Zhong, Dr. Manoj Kumar, Chong Q. Zhu, Prof. Joseph S. Francisco, Prof. Xiao C. Zeng原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Surprising Stability of Larger Criegee Intermediates on Aqueous InterfacesAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7740, DOI: 10.1002/anie.201702722科研思路分析Q:这项研究最初是目的?或者说想法是怎么产生的?A:Criegee中间体与二氧化硫、二氧化氮等污染物的反应会导致大气气溶胶和云层的形成,对全球气候、雾霾等产生重要的影响。但由于部分Criegee类物质(如最简单的Creigee中间体:CH2OO)与大气中的水分子具有极强的反应活性,影响参与SO2、NO2的反应过程。因此,研究Criegee中间体与水分子的反应机理具有十分重要的意义。Q:研究过程中遇到哪些挑战?A:不同Criegee中间体与水分子的反应机理在气相和液相中表现出很大的差异,如何通过分子尺度的模拟寻找并确认这一差异是我们面临的主要挑战。同时,逐渐增加疏水基团的引入,降低Criegee中间体在液滴表面的活性也是研究过程的难点和亮点。Q:该研究成果可能有哪些重要的应用? A:该研究结果揭示了含疏水基团的Criegee中间体与云滴相对较低的反应活性,从而使该类Criegee中间体可以在云滴表面更易于与二氧化硫、二氧化氮等发生反应。

来源: X-MOL 2017-10-05

非血红素正铁-亚碘酰苯加合物——一种“变色龙”活性中间体

从大气中将氧元素引入生物质的合成与转换引起了生命进化史上的革命性飞跃。在这个生物化学转换的过程中,生命体需要在合成活性官能团的同时降低摄入氧的毒性,而单核非血红素蛋白酶在其中发挥着重要的作用。非血红素蛋白酶及其仿生模拟物质通过与氧化剂(如氧气、双氧水、亚碘酰苯等)配位,借助氧化-还原助剂的作用生成具有高氧化性的活性中间体来对多种底物进行氧化或加氧反应。活性中间体的构效关系对于理解催化反应的机制具有极其重要的作用,通过对这些进化近亿年的蛋白酶仿生模拟,人们可以开发出环境友好、高效、对国民经济有着重要的意义的新型催化剂,因而成为目前国际生物无机化学、仿生催化化学和物理化学等交叉科学的前沿和热点之一。近日,中科院兰州化学物理研究所的王永课题组与韩国梨花女子大学的Wonwoo Nam课题组合作,利用密度泛函理论计算的手段对非血红素正铁-亚碘酰苯加合物的构效关系进行系统研究,揭示了该加合物具有两种共振价键结构(two resonance valence-bond structures),从而表现出一种“变色龙”活性中间体的属性。在此基础上他们提出了卤键促进的断键耦合电子传递(bond-cleavage coupled electron transfer, BCCET)新机理,并对整个催化循环过程进行了重新定义。相关理论研究成果发表在Journal of the American Chemical Society 上,并被Nature杂志子刊Nature Reviews Chemistry作为亮点进行报道(Nat. Rev. Chem., 2017, DOI:10.1038/s41570-017-0050)。亚碘酰苯是一种在有机合成、生物氧化反应和仿生氧化反应中常用的终端氧化剂,呈不溶的无定形粉末,需要加入助溶剂(金属复合物、路易斯酸或者布朗斯特酸等)溶解后再加入反应体系。按照著名的单氧化物机理,一旦亚碘酰苯与金属复合物混合将形成金属-亚碘酰苯加合物。随后,该加合物转化为高氧化活性的高价金属-氧复合物。这种高价金属-氧复合物作为唯一的氧化物,可通过多种反应机理来氧化多种底物,比如C-H键羟基化、烯烃环氧化以及磺化反应等。这种单氧化物机理结合以色列著名理论化学家Sason Shaik教授的“双自旋态反应性”(two-state reactivity)机理,可以解释绝大多数氧化化学中观测到的实验现象,从而得到广泛的认可。然而上世纪九十年代Valentine课题组报道的无氧化还原属性金属(二价锌离子等)催化剂活化亚碘酰苯的反应对该机理首次提出了质疑。随后Collman、Nam、Fujii等多个著名的生物无机化学研究团队也从不同实验结果中得出相似的结论:高价金属-氧复合物的前体,金属-亚碘酰苯加合物也可能是一种高效的氧化剂,从而开启持续近20年“单氧化物机理-多氧化物机理”的论战。基于首例非血红素正铁-亚碘酰苯加合物的晶体结构[FeIII(tpena-)OIPh]2+  (1),作者首先从电子水平揭示了该复合物七配位高自旋基态的电子特征,计算结果和实验高度一致。研究中发现离散基组对计算正确电子态的重要性。随后碘-氧键断裂过程的计算结果显示无论从动力学还是在热力学角度,断键反应都难以实现,从而排除了高价铁-氧复合物作为活性中间体的可能性。而当底物苯甲硫醚引入反应体系后,作者发现不同底物的进攻方式(图1)能够诱导正铁-亚碘酰苯加合物表现出不同的氧化属性,通过不同的反应机理完成氧化过程。底物两种进攻方式形成的基态反应物6RC和6RC'如图1所示:6RC为卤键作用模型,其中,底物位于1中氧原子的反式位置(trans),硫、碘和氧三个原子几乎共线,即S-I-O键角接近180°,同时亚碘酰苯的苯环与线型的S-I-O片段构成T字型结构;6RC作为底物位于1中氧原子的顺式位置(cis),此时,底物与1之间没有相互作用。6RC和6RC'的相对能量结果表明,卤键作用下的反应物拥有更加稳定的构型。图1. a)卤键作用下的反应复合物RC;b)无卤键作用下的反应复合物RC'。其中体系中的氢原子均未显示,键长单位为Å,角度单位为度。随后,作者对这两种进攻方式下的反应路径进行深入探究,最终发现对于卤键作用存在下的反应模型(图1a),首先发生O-I键的断裂,在此过程中卤键作用一直存在。底物的存在极大地降低了O-I键断裂的能垒(从无底物时的24.5 kcal•mol-1降低至19.4 kcal•mol-1)。作者经过进一步分析得知,在O-I键断裂过程中,底物不仅作为卤键作用的参与者稳定其构型,而且作为电子供体向1转移一个电子,即O-I键断裂是一种新型的断键耦合电子转移的BCCET过程。反应最终得到四价铁-氧复合物与具有阳离子自由基电子结构的底物构成的中间体复合物,后续该复合物的氧转移过程几乎无能垒(0.7 kcal•mol-1)。然而,对于没有卤键作用存在的反应模型(图1b),反应经过一种协同氧转移过程完成底物氧化,即PhIO在底物的诱导下从铁中心解离,与此同时直接将氧转移至底物(oxygen atom transfer mechanism, OAT)。该过程的反应能垒为18.7 kcal•mol-1,与BCCET过程的反应能垒相当,故两种反应机理互为竞争关系。图2. 金属-亚碘酰苯体系的催化氧化循环。综合早期的多氧化物机理及当前的研究成果,作者提出了图2所示金属催化剂-亚碘酰苯反应体系的催化循环。当金属催化剂与亚碘酰苯固体混合后,金属催化剂首先从亚碘酰苯多聚物攫取一个亚碘酰苯单体,形成金属-亚碘酰苯加合物(1)并发生后续反应。若O-I键断裂足够迅速,则完成底物氧化的活性中间体为高价金属-氧复合物(2);反之,若O-I键断裂缓慢,且加合物具有高效的氧化能力,那么1即可直接作为活性中间体参与反应。在1与底物反应的过程中,底物的进攻方式很好地调控了反应过程(BCCET or OAT)。该催化氧化循环的提出对理解金属催化剂-亚碘酰苯体系的氧化反应机理具有较为重要的意义,并有助于非血红素体系催化剂的设计。该论文作者为:Yiran Kang, Xiao-Xi Li, Kyung-Bin Cho, Wei Sun, Chungu Xia, Wonwoo Nam, Yong Wang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Mutable Properties of Nonheme Iron(III)–Iodosylarene Complexes Result in the Elusive Multiple-Oxidant MechanismJ. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7444, DOI: 10.1021/jacs.7b03310

来源: X-MOL 2017-10-02

Science:分子间卤键长什么样?

卤键是一种由静电相互作用导致的非共价键相互作用,它广泛应用于分子自组装、超分子化学、晶体工程和药物设计等领域。近日,来自加州大学尔湾分校的Wilson Ho教授(点击查看介绍)课题组与Ruqian Wu教授(点击查看介绍)课题组合作,通过基于扫描隧道显微术(STM)的非弹性隧穿探针(itProbe)技术和密度泛函(DFT)计算研究了吸附在金属表面的二维自组装卤代苯分子间的卤键结构。他们根据高分辨的实空间成像揭示了广泛存在于全卤代苯分子间类似“风车”状结构的相互作用,从而对研究卤键的形成和本质提供了一个全新的视角。相关成果发表在Science 上,第一作者是Wilson Ho教授课题组的韩竹敏(Zhumin Han)博士。由于卤素属于电负性最高的一类元素,分子中的卤素原子通常是带负电的。然而由于电荷极化,卤原子在沿着C-X键轴方向形成了一个亲电性的“σ-hole”,同时在垂直于该键轴方向形成了一个亲核性的带状结构(图1A)。这个“σ-hole”与周围分子中的亲核区域相互作用就形成了卤键。卤素三聚体就是一个分子的“σ-hole”和相邻两个分子的亲核带相互交替作用而形成的一个“风车”状结构(图1E)。先前研究分子内部或者分子间结构的实验手段往往局限于X射线衍射等间接的实验方法。近年来,以非接触原子力显微镜(nc-AFM)和itProbe为代表的扫描探针技术利用针尖吸附一氧化碳(CO)的方法,极大地提高了扫描探针显微镜的空间分辨率,使得在实空间中对分子内以及分子间的化学键结构直接成像成为可能。图1. 卤素原子与卤素原子之间可能的相互作用结构示意图。图片来源:Science作者首先使用超高真空STM得到了六氟苯(C6F6)分子和六溴苯(C6Br6)分子在Ag(110) 表面的吸附形貌以及吸附位点。其中C6F6形成有序的二维岛状结构(图2A),而C6Br6形成一些小的分子团簇(图2E)。他们进而运用itProbe技术对C6F6分子岛和C6Br6分子簇进行成像,获取了每个分子内部以及分子之间化学键结构的高分辨的空间分布。从中不仅可以得出分子之间的相对位置而且也可以直接观测到分子间的相互取向。从图2D可以发现,相邻的三个C6F6分子中,某个分子的C-F键和临近分子的F原子相互作用,从而形成了一种类似“风车”状的三角形结构。与图2H比较发现, C6Br6也形成了类似的三角形结构,是一种典型的卤素三聚体结构。图2. 在Ag(110) 表面的自组装C6F6 分子岛和 C6Br6 分子簇。图片来源:Science随后作者对itProbe 的工作机制做了一个定性的解释(图3)。在实验中可以通过控制扫描探针和表面的距离,把一个吸附在Ag(110)表面的CO分子转移到针尖上。CO在针尖上的振动可以通过非弹性电子隧穿能谱(IETS)来检测。其中能量最低的受阻平动(HT)模式对外界环境的影响非常敏感。从图3A可以看到,当CO针尖处于在C6F6分子岛内不同位置上方时,它的HT振动能量会有不同的相应。比如从苯环中心的3.4 meV红移到了苯环上的1.2 meV(图3B)。如图3C所示,针尖上的CO分子与表面的C6F6分子相互作用而形成了一个势能曲面(PES),正是由于PES的空间分布造成了CO分子振动能量的移动。CO的HT振动看成是一个简谐振子(图3D),在PES峰和脊的位置上的曲率是负的,这就使得CO振动的整体曲率下降,从而造成了能量的红移。相反地,在能谷的位置曲率是正的,就使得振动能量相应的蓝移。所以通过选取一个比背景振动能量更低的能量位置(1.2 meV),记录该能量下振动能谱的强度随针尖在空间扫描而形成的图像,就得到了关于PES峰和脊的空间分布。而这些峰和脊的位置恰好对应着由于化学键而引起的高电子密度区域。从而itProbe图像可以和化学键在空间分布紧密地联系起来。图3. itProbe技术的工作原理。图片来源:Science作者结合DFT计算,揭示了全卤代苯分子形成自主装结构的机制(图4)。与包含范德瓦尔斯(vdW)修正的DFT计算比较,可以发现没有vdW修正的C6F6分子间结合能远远小于包含vdW修正的情况,只占不到10%。从而得出C6F6主要是由于范德瓦尔斯相互作用而形成自组装岛状结构。值得注意的是分子间的相互转向却与有无包含vdW修正没有显著联系,这说明分子在岛中的取向并不是由vdW作用而引起的。类似地,C6Br6分子间结合能也由vdW作用主导,而分子的相对取向与vdW修正没有直接联系。由于氟具有很强的电负性以及很弱的极化性,一般认为氟不能极化出“σ-hole”从而不能形成卤键。然而作者在实验中直接观测到了氟三聚体,与一同观测到的溴三聚体以及广泛存在的其他卤素三聚体高度相似。这意味着不同的卤素三聚体有着相同的形成机制,那就是分子的结合主要来自vdW相互作用和卤素原子之间静电相互作用的叠加。分子采取合适的取向来优化静电相互作用,对于C6F6分子而言,可以使得静电排斥作用最小化,对于C6Br6分子而言,可以使静电吸引作用最大化。图4. 不包含衬底的二维C6F6 和C6Br6 六角格子的DFT 计算。图片来源:Science最后作者还运用itProbe技术测量了1,3,5-三氟苯(C6H3F3)在Ag(110) 表面的二维自组装岛状结构。C6H3F3分子间通过V字形分叉的C-H∙∙∙F相互作用而结合在一起,形成与三维C6H3F3晶体中分子层内部相同的分子排列结构。图5C展示的是一个C-F与两个C-H相互作用,图5D展示的是两个C-F与以个C-H相互作用的情形。图5. 1,3,5-三氟苯(C6H3F3)在Ag(110) 表面的自组装岛状结构。图片来源:Science了解分子的化学成分、结构和其化学性质之间的相互联系一直是化学研究的核心内容。该研究成果展示了分子内以及分子间的化学键结构可以通过itProbe技术得到。通过原子分辨的结构成像,揭示了分子间诸如范德瓦尔斯作用、静电作用等相互影响相互平衡的微妙之处,从而能帮助人们更好地理解卤键的本质。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Imaging the halogen bond in self-assembled halogenbenzenes on silverScience, 2017, DOI: 10.1126/science.aai8625 (2017)导师介绍Wilson Hohttp://www.x-mol.com/university/faculty/1264课题组链接https://www.physics.uci.edu/~wilsonho/whoghp.htmRuqian Wu http://www.x-mol.com/university/faculty/45876课题组链接https://www.physics.uci.edu/wugroup/

来源: X-MOL 2017-09-24

靶标-配体相互作用打分函数:游戏规则的制定

药物分子与其生物靶标分子之间产生足够强的相互作用是发挥药效的前提(图1)。在药物研发中,与靶标分子的亲合性(binding affinity)是筛选活性化合物的首要标准。靶标-配体亲合性可以采用多种基于不同原理的实验技术来测量,例如等温滴定量热(ITC)、表面等离子共振(SPR)、荧光偏振(FP)等等。但是动用实验测量毕竟比较费时费力,如果可以使用计算方法来定量计算靶标-配体相互作用,那么就可以实现“虚拟筛选”(virtual screening),从而大幅提高发现活性先导化合物和优化先导化合物的效率,降低新药研发成本。所以,定量计算靶标-配体相互作用在药物分子设计领域中是一个核心问题,在过去30年中以及可预见的未来都是人们竞相追逐的“圣杯”(J. Med. Chem.,2016, 59, 4033−4034)。图1、配体分子与靶标分子特异性相互作用示意图。既然传说中的圣杯就在那里,何不我也试上一试?自上世纪80年代以来,研究人员发展了许多理论方法,用于模拟和定量计算靶标-配体相互作用。这些研究你方唱罢我登场,真可算得上是一个竞争激烈、奇葩怒放的领域,有兴趣的读者可以参考更专业的参考文献。图2. 发展定量计算靶标-配体相互作用的方法,是一场奇葩怒放的竞赛。在众多方法中,打分函数(scoring function)具有适用性好、计算速度快、精度良好等优点,广泛地应用于分子对接、虚拟筛选、从头设计等各种用途,是在药物研发实践中应用最为普遍的一类方法。发展性能更加优良的打分函数因此是一个竞争激烈的研究领域。据不完全统计,文献中已报道的各类打分函数已经超过100种,而且每年仍有若干新的打分函数出现。本文将介绍中国科学院上海有机化学研究所的王任小研究员课题组近年来在打分函数研究领域中取得的成果。你以为小编将在这里绘声绘色描述王任小课题组发展的一种新打分函数?图样图森破!王任小研究员多年来研究打分函数,在此过程中深切感受到了导致打分函数研究进展缓慢的瓶颈问题。打分函数作为一类理论计算方法,需要大量已知三维结构以及亲合性实验数据的蛋白-配体复合物样本,作为构建和检验计算方法的知识基础。这就有些像建造高楼大厦时必须先要打好地基一样。但是在计算科学领域中的研究人员往往更关注研究理论方法本身,而对收集支持理论研究的相关数据缺乏热情。事实上,在第一批打分函数出现之后的十年内(上世纪90年代初至本世纪初),公开文献中报道的、可用的此类数据样本只有不足300个,而且不少样本存在这样那样的质量问题。所谓“巧妇难为无米之炊”,这种知识基础匮乏的状况在很大程度上制约了打分函数方法的良性发展。为了解决这一问题,王任小课题组投入了极大的精力,构建并不断发展了PDBbind-CN数据库。该数据库致力于系统地分类整理Protein Data Bank(PDB)数据库中各类生物大分子形成的复合物(包括蛋白-小分子、核酸-小分子、蛋白-蛋白、蛋白-核酸复合物),并从文献中收集这些复合物的亲合性实验数据。他们逐步发展了一套程序流程,能够以比较高的准确率从整个PDB数据库中辨别出各种类型复合物,并人工查阅了大量原始文献来收集实验测定的亲合性数据,最终将复合物的三维结构信息以及相应的亲合性实验数据整合在一个可以通过Web访问的数据库中(图3)。PDBbind-CN数据库自2007年公开上线以来(点击查看详情),一直保持逐年更新,数据年增长幅度超过10%。最新发布的2016版中收录了超过16000种复合物的亲合性实验数据信息,数据量较最初版本相比已经增长了5倍有余。图3、(左)PDBbind-CN数据库的部分Web界面;(右)自首次公开上线以来,PDBbind-CN数据库的规模一直在稳步增长。PDBbind-CN数据库的出现,一举将打分函数研究可用的样本总量提升了一个数量级以上。在此基础上,王任小课题组针对打分函数研究的特殊需求,在PDBbind-CN数据库收录的大量样本中进行挑选以及深度加工,提供了高质量的样本子集。由王任小课题组编辑发布的这些数据集,无论是规模还是质量都比该领域中曾经存在的数据集有了极大的提升。一经公开发布,立即大受各路打分函数研究者的欢迎,在该领域中逐渐占据了统治地位。在研究打分函数的过程中,王任小研究员还注意到了另外一个问题。如前文所述,目前已经存在大量打分函数,新的打分函数仍然在不断出现。对于广大打分函数用户而言,他们当然希望了解这些打分函数中哪些更加值得信赖;对于发展打分函数的研究人员而言,他们也希望洞察目前这些打分函数的优点以及缺点,明确未来的努力方向。但是以往每位研究人员在报道他们的打分函数时,常常采用不同的测试集以及测试方法,存在严重的“自说自话”现象。就像一项体育比赛,虽然竞争很激烈,场面很热闹,但是缺乏一套明确的竞赛规则,终究成不了气候。因此,打分函数研究领域中急需一个大家能普遍接受的方法体系(benchmark)来公平合理地评价各种打分函数的性能。针对这个问题,王任小课题组逐渐发展了CASF(Comparative Assessment of Scoring Functions)方法体系。他们根据打分函数在实践中的典型应用方式,提出了衡量打分函数性能的四种基本指标(打分能力、排序能力、对接能力、筛选能力),并设计了定量的考察方法,从而使“打分函数的性能”这样比较模糊的一个概念得到具体化、清晰化。同时,他们首次采用了将打分过程(scoring process)与构象采样过程(sampling process)分开的处理方法,克服了传统做法中将打分函数整合在分子对接程序中进行测试所带来的弊病,从而确保对打分函数本身的性能做出准确评价。他们依据PDBbind-CN数据库挑选样本,构建了结构多样性强、去冗余的高质量测试集。采用这一整套方法体系,王任小课题组评测了目前流行分子模拟软件中的20余种打分函数,针对这些打分函数性能的各个层面提供了详细的信息,为用户提供了很有价值的参考。CASF方法体系于2009年首次公开发表,其后王任小课题组又对评价方法、测试集等方面进行持续的改进,迄今已经完成了两次主要的更新工作。与前人的类似工作相比,CASF方法体系体现了比较先进的学术思想,明确了科学问题并且干净利索地提供了解决方案,逐渐得到了国内外同行的广泛认可。例如,关于CASF方法体系的工作最初投稿美国化学会出版的J. Chem. Inf. Model. 杂志时,论文评审人认为:“该项工作是到目前为止对打分函数评价最系统的工作...... 该工作建立的方法显然将成为其他工作所仿效的标准”。CASF方法体系的所有数据以及源代码均在PDBbind-CN数据库的网站上公开发布,方便其他研究人员采用CASF对各种打分函数进行评测。根据对文献的追踪调研,近年来国内外新报道的打分函数中已有超过半数应用了CASF评价方法体系。CASF方法体系已逐渐成为该领域中的主流方法,有效地减少了以往存在的“自说自话”的混乱局面,被国内外同行誉为“评价打分函数性能事实上的标准”。以上介绍的建立PDBbind-CN数据库以及CASF方法体系这两项工作,解决了打分函数研究领域中存在的两个基础问题,在国内外同行间形成了极广泛的影响。能够取得这些学术成果,得益于敏锐的学术眼光以及长期坚持不懈的努力,两者缺一不可。由于这些贡献,打分函数研究整个领域开始呈现出加速健康发展的势头。近日,受美国化学会出版的Accounts of Chemical Research 杂志邀请,王任小研究员撰写文章重点介绍了这两方面的工作(Liu, Zhihai; Su, Minyi; Han, Li; Liu, Jie; Yang, Qifan; Li, Yan; Wang, Renxiao *, Forging the Basis for Developing Protein–Ligand Interaction Scoring Functions, Accounts of Chemical Research, 2017, 50 (2): pp 302-309, DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00491)。研究团队简介王任小,博士,中国科学院上海有机化学研究所研究员,博士生导师。1989年入学北京大学化学与分子工程学院,1994年获理学学士学位,1999年获理学博士学位,物理化学专业,师从唐有祺院士。1999-2005年先后在美国加州大学洛杉矶分校化学系和美国密西根大学医学院从事博士后研究以及任助理研究员。2005年入选中国科学院“百人计划”,加入上海有机化学研究所工作至今。该课题组主要从事分子靶向药物设计方面的研究,尤其擅长发展分子靶向药物设计中的新理论、新方法,代表工作有X-Score、AT&T、XLOGP等软件和PDBbind-CN数据库。这些成果自公开发布以来,在七十多个国家拥有6300余名注册用户,其中许多来自国际著名的大学、研究所以及大型医药公司,形成了广泛的国际影响。课题组亦注重在实践中应用分子靶向药物设计,近年来领导课题组综合运用分子设计、化学合成以及生物学研究手段,针对蛋白-蛋白相互作用等生物靶标开展工作,最终成功获得了多种类型的活性先导化合物。已在Acc. Chem. Res., J. Chem. Inf. Model., J. Chem. Theor. Comput., J. Med. Chem., Bioinformatics 等学术刊物上发表论文110余篇,截止至2017年2月底发表论文合计被他引达5800余次,H指数为34。并以第一发明人身份获得国家发明专利授权和计算机软件著作权合计30多项。目前担任美国化学会旗下J. Chem. Inf. Model. 杂志副主编以及多家国内外杂志编委。近年来曾先后获得国际化学信息学学会Corwin Hansch Award,中国药学会-施维雅”青年药物化学家奖”,药明康德“生命化学研究奖”等知名奖项。2017年获得国家自然科学基金委“国家杰出青年科学基金”资助。导师介绍王任小http://www.x-mol.com/university/faculty/15578 课题组主页http://www.sioc-ccbg.ac.cn

来源: X-MOL 2017-09-08
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