化学“神技术”综述(七):机械化学,绿色、简便、高效的合成动力

机械化学(Mechanochemistry),顾名思义与机械力密切相关,它是研究物料在机械力诱发和作用下发生的化学反应、物理化学性质或内部微型结构变化的一门新兴学科。对大部分化学合成来说,反应在溶液中进行,而依靠机械力的机械化学基本不需要溶剂,它的能耗低、速度快、基本能够定量反应合成一系列功能分子。机械力一般通过研磨、挤压、剪切、摩擦等手段施加,从而诱发反应物化学物理性质变化,使物质与周围环境中的固体、液体、气体发生化学转化。随着机械行业的发展,各种高能研磨设备的不断出现使机械化学在多个化学领域得到应用。另外,因为几乎不使用溶剂,反应相对安全、清洁、效率高,机械化学合成方法也可以说是一种很符合“绿色化学”原则的合成方法。近期,加拿大麦吉尔大学的Tomislav Friščić副教授(点击查看介绍)在ACS Cent. Sci.撰写综述性论文“Mechanochemistry: A Force of Synthesis”,介绍机械化学的最新进展。图片来源:ACS Cent. Sci.机械化学的标志是用研磨法代替常规的实验装置,如自动球磨机代替了加热和搅拌,球磨罐代替了烧瓶和烧杯,研磨介质代替了溶剂。机械化学的反应参数包括频率、介质对样品的重量比等。最常见的反应设备有振摇床和行星式球磨机。振摇床适合小规模的反应,例如筛选固体药物活性成分。在行星式球磨机中,球磨罐在自转的同时也沿着中心轴旋转。在工业级别的设备中,这种“行星式”的运动产生的离心力能模仿地心引力的效果,这也让机械化学与大规模工业生产之间多了一重直接的联系。研磨球和球磨罐的材质有不锈钢、氧化锆、碳化钨、聚四氟乙烯等,便于观察的透明聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)也常常用于生产球磨罐。不锈钢的密度约为7.5 g/mL,是最常用的材料,但有可能带来金属污染。氧化锆(密度约为5.6 g/mL)则没有这个问题(图1a)。图1. a.不同材质的球磨罐的从左到右为:PMAA、聚四氟乙烯和不锈钢;b.不同反应环境中的η值;c.影响咖啡因与邻氨基苯甲酸共晶晶型I、II、III的η值和液体偶极矩μ。图片来源:ACS Cent. Sci.现在机械化学的核心技术是催化助剂的应用以控制反应性,如液体辅助研磨法(liquid-assisted grinding,LAG)就有希望代替常规的液相合成,它加入少量的液体来加速反应,以代替纯研磨。η值表示加入的液体与反应物的比例,η = 0代表无溶剂反应,η > 10 μL/mg 为典型的液相反应。LAG反应的η值0-1 μL/mg之间,在这个范围内,反应性与反应物的溶解度无关;而在浆态反应中(η > 1 μL/mg),低溶解度却会影响反应(图1b)。LAG尤其适合筛选包合物、共晶、盐、溶剂化物和多晶型,在有机机械化学中表现也不错。改变LAG液体添加剂能显著影响机械化学反应,特别适合筛选药物固体形态。现在LAG不依赖溶解度的反应机理有多种解释,液体极性、η值、液体和反应物的相互作用或许都有作用(图1c)。▌机理研究:实时监控反应在快速运动的球磨罐中直接观测化学转化情况并不容易,现代原位监测技术打破了这一限制,例如同步加速辐射X射线粉末衍射(XRPD)、拉曼光谱以及二者联用。但总体而言机械化学的机理研究还很薄弱,远不如液相反应成熟,例如反应动力学以及温度对反应性的影响。实时动力学研究表明,金属有机框架(MOFs)合成遵循一级反应速率定律。一项研究中,非原位拉曼监测发现了类似溶液体系的反应动力学,这通过一个“假液体”模型进行了解释,其中反应速率依赖于机械力引起的反应物颗粒的碰撞,如研磨频率。还有一项变温原位衍射研究发现,机械化学的机理随温度变化而变化,反应速率极其依赖于温度。图2. 原位研究MOF分步合成。a. 合成ZIFs;b. Zn-MOF-74;c. 发现ZIF-8中的katsenite相。图片来源:ACS Cent. Sci.目前为止,大部分原位研究集中在MOFs和配位聚合物的机械合成上,现在形成的观点倾向于分步机制,首先形成低密度或高度溶剂化的产物,然后转化为密度加大或溶剂化程度降低的物料,类似Ostwald定律,尤其适合沸石咪唑酯骨架结构材料(zeolitic imidazolate frameworks,ZIFs)的合成(图2a和b)。还有一个LAG有机反应的原位研究发现,亲和取代的速率可能与液体添加剂中的Gutmann给体数目相关。原位研究也是材料发现的“利器”,如Tomislav Friščić课题组以ZnO和2-甲基咪唑(HMeIm)为原料,通过研磨过程中同时加入少量乙酸或水以加速机械化学反应的进行,得到沸石MOF(ZIF-8),在透明的球磨罐中同步监测材料的变化,发现了具有新颖katsenite(kat)型拓扑结构的MOF,随研磨进行进一步重排为密度更大的diamondoid(dia)堆积型(图2c)(Nat. Commun., 2015, 6, 6662,点击阅读详细)。▌机械化学反应中的催化机械化学也是有机催化和金属催化反应的多功能平台,这些反应涵盖Suzuki-Miyaura偶联反应、Huisgen环加成反应、烯烃复分解反应、C-H活化等等。大部分催化剂适用于液相反应,然而机械化学的反应环境与之截然不同,这使得在液相中颇具挑战的反应有可能更容易进行。例如,用全铜制造的球磨代替CuI共催化剂进行Sonogashira偶联反应,研磨设备并无明显的质量变化,说明很可能是它的表面作为催化剂。同样的策略也适用于Huisgen偶联(图3a),银催化的烯烃[2+1]环丙烷化反应(图3b),还有镍催化的炔烃[2 + 2 + 2 + 2]环加成反应生成环辛四烯(图3c),后者在液相中进行的是[2 + 2 + 2]环加成反应。图3. 金属表面催化的机械化学反应。图片来源:ACS Cent. Sci.▌金属-有机材料机械化学特别适合于合成MOFs以及其他金属-有机材料,反应时间短、不需要溶剂或者仅仅少量溶剂,比常规合成更快、更容易。常规溶液中进行的溶剂热法需要能溶解的金属试剂,如硝酸盐或氯化物,它们通常易爆或有毒,不太适合大规模工业应用。而机械化学能够应用溶解度差但更安全的金属硫酸盐、氧化物或碳酸盐作为反应物。尽管纯研磨也能从氧化物合成MOFs,液体辅助机械化学却能加快反应。除促进反应外,液体还能作为结构导向和空间填充试剂。MOF机械化学的核心技术包括LAG以及离子和液体辅助研磨(ion- and liquid-assisted grinding,ILAG),后者除了液体添加剂之外还加入盐催化剂活化金属氧化物。这些技术能方便的合成大部分MOF家族,如MOF-5、ZIFs、UiO-66体系、层柱MOFs、MOF-74、HKUST-1、MIL-101(Cr)、富马酸铝MOF等。此外,机械化学也能定量合成其他金属-有机材料,如碱式水杨酸铋(胃药,Pepto-Bismol中的活性成分)、发光二极管(LED)的材料8-羟基喹啉铝(Alq3)。▌合成新机遇人们越来越认识到,机械化学不仅仅是一种合成已知化合物“更绿色”的手段,而且还可用以发现常规溶液化学之外的新东西。例如,单分散金属纳米颗粒的合成通常在稀溶液中进行,以便控制颗粒生长和聚集,但是最近证明用在无溶剂环境中用封端剂研磨,金纳米颗粒的粒径可控制在1-2 nm之间。同样在无溶剂环境中,机械化学可以将8 nm超顺磁性氧化铁纳米颗粒的配体由疏水性换为亲水性,而不影响粒径和磁行为。因此,在无溶剂环境中合成和修饰单分散纳米颗粒,是机械化学带来合成新机遇的力证。▌化学计量控制机械化学反应对化学计量有令人惊讶的控制能力,简单控制各反应组分就能精确定向合成不同化学计量的共晶、配位聚合物等。化学计量控制能力要远高于基于溶液或熔融的反应,往往它们的产物选择性难以控制或需要大大过量的反应物。对于共价反应也同样如此,例如,将芳族二胺与一或二当量的芳基异硫氰酸酯研磨,能选择性的分别得到单硫脲或双硫脲;用不同量的Oxone和卤化钠与均三甲苯研磨,能选择性的分别制备单卤代物、二卤代物或三卤代物。▌发现新反应机械化学进行的新反应虽然少,但数量一直在增长,这些反应在溶液中很难进行或根本不进行。一个典型的例子是C60的二聚化,将C60与KCN一起研磨,没有得到预料中的氢氰化产物,反而得到哑铃型的C120。更多的例子包括:C60与4-二甲氨基吡啶一起研磨得到三聚物的异构体C180;研磨导致了一个新颖的FeCl3介导的C-N键断裂反应,能生成C60并茚;还有基于机械化学的芳香磺胺类化合物和碳二亚胺的C-N偶联反应等等。▌“不可能”的分子机械化学的另一个令人兴奋的应用是获取分离迄今为止认为不可能存在的分子。2014年,Rightmire等报告了基于高空间位阻的双(三甲硅基)烯丙基配体的三(烯丙基)铝络合物的合成(图4a和b)(Organometallics, 2014, 33, 5952-5955)。这类配合物在溶液中的合成极具挑战性,分离出来的往往是溶剂化物或加成物,迄今还没有一例成功。然而,将氯化铝与双(三甲硅基)烯丙基阴离子的钾盐一起研磨,就能很容易得到类白色粉末状的产物。该产物一旦溶解就形成油状混合物,这从另一个侧面证明溶液合成为什么如此困难。图4. 通过机械化学实现的“不可能”的分子。a.b. 三(烯丙基)铝络合物;c. 芳基N-硫羰基三唑;d. 金刚烷型的P4N6-phosphazane。图片来源:ACS Cent. Sci.芳基N-硫代氨甲酰基三唑曾被推测为由苯胺发生硫代氨甲酰化反应合成硫脲的中间体,但它迅速降解为异硫氰酸酯,此前从未分离得到。LAG定量生成了这种芳基N-硫代氨甲酰基三唑(图4c)。这个化合物处于固态时能够保存超过1年,但它溶解后迅速降解,仅能在固体状态时进行结构表征。另一个不可能的分子是金刚烷型的叔丁基取代P4N6-phosphazane(图4d)。尽管其他取代基的类似物早有报道,但这个大位阻分子却难以得到。2016年Garcia等人报道了通过ILAG定量合成这个分子,理论计算显示这个反应在热力学上是有利的,在溶液中难以进行不是由于位阻效应,而是溶剂化效应(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 12736-12740)。▌机械化学的力能学越来越多的证据表明,球磨对于溶液反应还具有能量上的优势。例如机械化学的Suzuki-Miyaura偶联反应或者对甲基苯胺的高锰酸钾氧化反应,都比常规或微波加热反应的能量效率要高几个数量级,这似乎看起来材料加工中所用球磨的高能量消耗不一致。但是,材料加工关注的是颗粒粉碎,需要克服很高的晶格能,而机械化学合成更多地依赖颗粒混合和表面活化,而不是将颗粒粉碎到纳米量级。现在对机械化学中能量输入的理解和评价技术还处于起步阶段。McKissic等人研究Diels-Alder反应,估计球磨传递的最大能量在95 kJ mol–1和112 kJ mol–1之间(Green Chem., 2014, 16, 1628-1632),大概相当于溶液中90 °C反应。▌展望现代机械化学正迅速扩展到化学和材料科学的众多领域,将重心从合金化和无机材料转向催化、自组装以及分子结构合成等。尽管机械化学为众多化学转化提供了一个更清洁有效的方式,但该领域现在仍然处于起步阶段。现在,机械化学所面临的主要挑战不在于应用层面,它现在的表现已经很优秀,在合成上与传统液相或者材料化学相当,甚至能完成其不可能完成的任务。眼下真正的挑战是机理层面,即深入本质的彻底研究。要达到这个目标,需要开发新的专业设备、精确的理论模型和广泛的系统研究,并与机械化学反应环境的通用、定量模型相整合。毫无疑问,无论是反应机理研究,还是反应设备及技术的开发,机械化学未来会涌现更多让人吃惊的进步。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):Mechanochemistry: A Force of SynthesisACS Cent. Sci., 2017, DOI: 10.1021/acscentsci.6b00277导师介绍Tomislav Friščić副教授http://www.x-mol.com/university/faculty/4607X-MOL催化领域学术讨论QQ群(210645329)

X-MOL盘点:12月化学前沿科研成果精选

X-MOL团队从Nature、Science、Nature Chemistry和JACS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):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 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-香槟分校的John A. Rogers课题组报道了一种可穿戴的传感器设备,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):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和杨百翰大学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)和氮-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):Coordination-induced weakening of ammonia, water, and hydrazine X–H bonds in a molybdenum complexNH3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]+和[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):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):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 Soares、Bassam V. Atallah和Joseph 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):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ScienceeScience, DOI: 10.1126/science.aag2879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):Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene-polymer nanocomposites爱尔兰都柏林圣三一学院的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):Ultrafine jagged platinum nanowires enable ultrahigh mass activity for the oxygen reduction reaction加州大学洛杉矶分校(UCLA)的黄昱(Yu Huang)博士和段镶锋(Xiangfeng Duan)教授、加州理工学院的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):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。加州大学欧文分校的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。

两院院士评选2016年中国、世界十大科技进展新闻揭晓

(图片来源于网络)由中国科学院、中国工程院主办,中国科学院学部工作局、中国工程院办公厅、中国科学报社承办,中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的2016年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻,2016年12月31日在京揭晓。入选的2016年中国十大科技进展新闻分别是:成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”;全球最大单口径射电望远镜在贵州落成启用;长征五号首飞成功;神舟十一号飞船返回舱成功着陆,两名航天员安全回家;领衔绘制全新人类脑图谱;我国首获超算应用最高奖;率先破解光合作用超分子结构之谜;“海斗”号无人潜水器创造深潜纪录;利用超强超短激光成功获得“反物质”;首次揭示水的核量子效应。入选的2016年世界十大科技进展新闻分别是:科学家宣布发现引力波,广义相对论最后预言获证;迄今最精确银河系三维地图问世,发现银河系面积大于预期;新技术可让数据存储时间逼近“永恒”;碳纳米晶体管性能首次超越硅晶体管;3D生物打印新技术向人造器官移植迈出一大步;科学家首次用化合物把皮肤细胞转化为心脑细胞;科学家首次实现同处两地的“薛定谔猫”——量子双模式猫态;科学家彻底改写细菌基因组,成功减少大肠杆菌遗传密码子;天文学家在太阳系外发现潜在宜居行星;美火箭首次在船上软着陆,充气式太空舱飞往空间站。http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/12/364729.shtm

2016年度中国高校十大科技进展揭晓

日前,由教育部科学技术委员会组织评选的2016年度“中国高等学校十大科技进展”经过形式审查、学部初评、项目终审评选专项工作等流程后在京揭晓。十大科技进展分别是(排名不分先后):北京大学主持的世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件,北京大学主持的发现原子核手征对称性和空间反射对称性的联立自发破缺,哈尔滨工业大学主持的高效率高比冲磁聚焦霍尔推进技术,南京工业大学主持的高效钙钛矿发光器件研究,清华大学主持的复杂电网自律—协同无功电压自动控制系统关键技术及应用,清华大学主持的植物分枝激素独脚金内酯的感知机制,清华大学主持的肌肉兴奋—收缩偶联的分子机理探索,西安交通大学主持的亚洲季风的变化规律及其与全球气候变化的关系,浙江大学主持的脑机融合的混合智能理论与方法,浙江大学主持的肝癌肝移植新型分子分层体系研究。“中国高等学校十大科技进展”评选自1998年开展以来,至今已是19届,这项评选活动对提升高等学校科技的整体水平、增强高校的科技创新能力发挥了积极作用,并产生了较大的社会影响,赢得了较高的声誉。http://paper.jyb.cn/zgjyb/html/2016-12/30/content_469642.htm?div=-1

重磅发布!中科院2016年月度重大科技成果出炉

(图片来源于网络)中科院征集并确定出2016年月度重大科技成果,并于日前正式发布。2016年月度重大科技成果为:一月,暗物质卫星“入选”习近平主席2016新年贺词;二月,中国北斗卫星导航系统全球组网模式基本确立;三月,煤气化直接制烯烃研究取得重大突破(点击阅读详细);四月,“实践十号”成功发射并返回;五月,在国际上率先揭示埃博拉病毒入侵人体细胞模式;六月,中国生态环境变化十年评估报告发布;七月,我国深海科学考察挺进万米时代;八月,世界首颗量子科学实验卫星成功发射;九月,“中国天眼”FAST落成启用;十月,“天宫二号”与“神舟十一号”对接并开展科学实验;十一月,世界最大面积中阶梯光栅研制成功;十二月,国际先进超强超短激光装置开工建设。http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/12/364267.shtm

《科学》:2017年四大主题值得关注

美国《科学》杂志12月22日发表对2017年科学展望的文章,认为有四大主题值得关注。第一,美国总统选举结果和英国脱欧公投对科研的影响。文章说,美国当选总统特朗普对气候变化问题态度消极,这不是好兆头。在欧洲,英国退出欧盟的投票结果,将减少英国参与欧洲研究项目以及往返英国和欧洲大陆的学生和研究人员的流动。不过文章也认为,最担忧的事件是否会成为现实尚不明朗。第二,突破胚胎培育时间限制。2016年,科学家在实验室中让人类胚胎发育至近两周,打破了之前9天的纪录。这项研究成果有可能会带来新的研究,但也掀起新一轮伦理争论。第三,寨卡疫苗测试。寨卡疫苗的效果将在2017年得到验证。迄今,接受测试的几乎每一种候选寨卡疫苗都能为猴子提供完全的保护,其中至少有3种疫苗开始了小规模人体试验。如果通过测试,那么将在明年进行有效性临床试验。第四,搜索太阳系第九大行星。在冥王星遭“降级”后,太阳系只剩下八大行星,但今年1月,天文学家宣布他们发现了太阳系中可能存在第九大行星的证据。这是一个像海王星大小的行星,其轨道周期为1.5万年左右。现在,几个科研团队正利用大型望远镜搜寻“行星九”。http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2016-12/24/content_358245.htm

RSC主编推荐:能源领域精彩文章快览(免费阅读原文)

英国皇家化学会(RSC)是一个拥有175年历史的面向全球化学家的非营利会员制机构,旗下拥有43种期刊,其中很多在化学领域有很高影响力。为了进一步帮助广大读者追踪科技前沿热点,X-MOL团队与英国皇家化学会合作,推出英国皇家化学会期刊主编推荐的精彩文章快览,本期文章属“能源领域”,英文点评来自英国皇家化学会期刊的主编。如果大家对我们的解读有更多的补充和点评,欢迎点击“阅读原文”进入网页版,在文后发表您的高见!Chemical Science (IF: 9.144)1. Overall water splitting by Pt/g-C3N4 photocatalysts without using sacrificial agentsChemical Science; DOI: 10.1039/C5SC04572JThis work reports the selective creation of both hydrogen and oxygen cocatalysts on surface-active sites of g-C3N4via photodeposition triggering the splitting of water for the simultaneous evolution of H2 and O2 gases. The photocatalyst remained stable for 510 reaction hours. Authors say this is significant as overall water splitting without using sacrificial agents is difficult to achieve, and that their discovery of Pt/g-C3N4 conjugated polymers that can split pure water without these agents sets a new chemical paradigm for clean, renewable solar energy.作者们通过光沉积在g-C3N4的表面活性位点上选择性产生氢和氧助催化剂,从而光催化分解水同时生成H2和O2气体。这种光催化剂在经历了510个小时的反应后仍保持稳定。作者们说,在不使用牺牲剂的条件下实现全分解水是非常困难的,他们的工作是一大突破,所发现的Pt/g-C3N4 共聚高分子可以在不使用牺牲剂的情况下将水分解为氢气和氧气。这是清洁可持续的太阳能利用的一个很好的范例。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C5SC04572J#!divAbstract2. Topochemical molten salt synthesis for functional perovskite compoundsChemical Science; DOI: 10.1039/C5SC03521JThis report reviews topochemical molten salt synthesis (TMSS) reactions and their applications towards tunable morphology of perovskite materials. TMSS is an environmentally friendly method of preparing pure and controllable perovskites, for use as piezoelectrics, catalysts, ferroelectrics, multiferroics, etc.该综述回顾了拓扑化学熔融盐合成(TMSS)反应及其在形态可调钙钛矿材料上的应用。钙钛矿经常用于压电体、催化剂、铁电体和多铁性材料中,而拓扑化学熔融盐合成是目前制备高纯度、形态可控钙钛矿的一种环境友好的方法。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C5SC03521J#!divAbstractEnergy & Environmental Science(IF: 25.427)1. Ternary solar celles with a mixed face-on and edge-on orientation enable an unprecedented efficiency of 12.1%Energy Environ. Sci., DOI: 10.1039/C6EE02851ATernary organic solar cells (OSCs), with a simple structure, can be easily adopted as sub-cells in a tandem design, thereby further enhancing the power conversion efficiency (PCE). A hitherto unrealized PCE of 12.1% was achieved at the optimized composition of the ternary blend. The ternary blend surprisingly had a face-on and edge-on co-existent texture, which is far better than that of the face-on orientated host film. To the best of the authors knowledge, this intriguing result refutes for the first time a general paradigm that high-performance OSCs are unambiguously linked to face-on structures. The study therefore provides a new platform for refining the theoretical underpinning of multiple blending OSCs.三元有机太阳能电池(OSCs)结构简单,可以很容易地用作串联设计中的子电池,以进一步提高能量转换效率(PCE)。本文作者们通过三元共混物,在最佳组成下实现了前所未有的高能量转换效率——12.1%。这种三元混合物令人惊讶地同时具有face-on和edge-on的结构,性能比仅具有face-on结构的膜要更好。这个有趣的结果也否定了“高性能有机太阳能电池须具有face-on结构”这一普遍看法,这在已有报道中尚属首次。因此,这项研究为改进多元共混有机太阳能电池的理论基础提供了一个新的平台。Open Access(限时免费阅读原文,登陆后可下载)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/EE/C6EE02851A#!divAbstract2. The bridge between the materials and devices of thermoelectric power generatorsEnergy Environ. Sci., DOI: 10.1039/C6EE02488BWhile considerable efforts have been made to develop and improve thermoelectric materials, research on thermoelectric modules is at a relatively early stage because of the gap between material and device technologies. In this review, the authors discuss the cumulative temperature dependence model to reliably predict the thermoelectric performance of module devices and individual materials for an accurate evaluation of the p–n configuration compared to the conventional model used since the 1950s. In this model, the engineering figure of merit and engineering power factor are direct indicators, and they exhibit linear correlations to efficiency and output power density, respectively. To reconcile the strategy for high material performance and the thermomechanical reliability issue in devices, a new methodology is introduced by defining the engineering thermal conductivity. Beyond thermoelectric materials, the device point of view needs to be actively addressed before thermoelectric generators can be envisioned as power sources.一直以来人们在开发和改进热电材料方面做出了很多的努力,但由于材料和器件技术之间仍存在很大差距,关于热电模块的研究仍处在相对早期的阶段。在这篇综述中,作者讨论了利用累积温度依赖模型来可靠预测模块器件和单个材料热电性能的方法,以精确评估p-n型(与自上世纪50年代以来的传统模型相比)。在这个模型中,工程优值和工程功率因数是直接指标,它们分别与效率和输出功率密度呈线性相关。为了协调高材料性能策略和器件中的热机械可靠性问题,作者通过定义工程热导率引入了一种新方法。在热电发电机被作为电源之前,除热电材料之外,从设备角度出发的观点也需要引起注意。Open Access(限时免费阅读原文,登陆后可下载)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/EE/C6EE02488B#!divAbstract3. Biomimetic and bioinspired approaches for wiring enzymes to electrode interfacesEnergy Environ. Sci., DOI: 10.1039/C6EE02801BBiomimetic and bioinspired approaches to redox enzyme wiring involve borrowing structures and strategies found in biological electron transfer systems for use in engineered devices. Redox protein–electrode systems are evolving for several applications, including energy, biomedical and environmental purposes. This review is intended to be both “tutorial” and comprehensive in that we provide a guide to understand, design, and improve electrode interfaces for redox enzyme electron transfer processes in devices. The review examines electrode interfaces by directly comparing them with biological electron transfer systems. First, the mechanisms, theory, and structures for electron transfer in biological systems are provided, followed by analysis of the strategies and structures engineered in redox-protein devices. The review describes the challenges of constructing and applying redox enzyme devices, including the poor electrical contact between electrodes and enzymes and low lifetime and scalability of devices.在生物电子转移系统中发现的结构和策略能帮助或启发氧化还原酶在各种器件中的应用。氧化还原蛋白-电极系统可以应用在包括能源、生物医学以及环境等多种领域。本综述将有助于理解、设计和改善用于器件中氧化还原酶电子转移过程的电极界面。文中直接将电极界面与生物电子转移系统相比较,来检验前者。首先,提供了生物系统中电子转移的机制、理论和结构,然后分析了氧化还原蛋白器件设计的策略及结构。本文还总结了构建及应用氧化还原酶器件所面对的挑战,包括电极和酶之间较差的电接触,装置较短的使用寿命和不尽如人意的可扩展性。Open Access(限时免费阅读原文,登陆后可下载)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/EE/C6EE02801B#!divAbstract4. A new approach for recycling waste rubber products in Li-S batteriesEnergy Environ. Sci., DOI: 10.1039/C6EE02770AVulcanized rubber products contain polymer backbones crosslinked with  ulphur to improve mechanical strength. Burning of waste rubber products emits toxic gases, and recycling of rubber by breaking the C–S bond with costly reagents and heat is also haunted by environmental concerns. The crosslinked polymers can be extracted chemically at room temperature and, by a simple solution-drop method, used to prepare a bifunctional cathode layer on the cathode current collector of a Li–S battery. The C–S bond of the crosslinking  ulphur can be broken reversibly in a discharge/recharge cycle to provide a  ulphur source, and the broken carbon bond can capture a lithium polysulfide soluble in a liquid organic electrolyte by forming a C–Li–S bond during discharge. During charge, the Li is extracted and the C–S bond is reformed. However, added  ulphur powder is also needed in the cathode of a Li–S battery. The data also provide a low-cost way to recycle waste rubber electrochemically.硫化橡胶制品包含与硫交联的聚合物主链,以提高机械强度。燃烧废橡胶制品会释放有毒气体,通过昂贵的试剂和高温破坏C-S键来回收橡胶也受到环境问题的困扰。本文提供了一种简单的溶液滴落法,可在室温下化学提取这种交联聚合物,并用于制备锂硫电池正极集电器上的双功能正极材料层。交联硫的C-S键在放电/再充电循环中能可逆地断裂以提供硫源,并且在放电过程中,断裂的碳键可通过形成C-Li-S键捕获溶于液体有机电解质中的锂多硫化物。在充电过程中,锂被提取出来,C-S键也重新形成。然而,锂硫电池正极还是需要添加硫粉末。数据证明,本文提供了一种回收废橡胶的低成本电化学方法。Open Access(限时免费阅读原文,登陆后可下载)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/EE/C6EE02770A#!divAbstract5.Skutterudite with graphene-modified grain-boundary complexion enhances zT enabling high-efficiency thermoelectric deviceEnergy Environ. Sci., DOI: 10.1039/C6EE02467JSkutterudite materials are widely considered for thermoelectric waste heat recovery. While the skutterudite structure effectively scatters the high frequency phonons, grain-boundary engineering is needed to further reduce the thermal conductivity beyond simply decreasing grain size. Here, the authors show that reduced graphene oxide (rGO) increases the grain boundary thermal resistivity by a factor of 3 to 5 compared to grain boundaries without graphene. A 16 leg thermoelectric module was made by using n- and p-type skutterudite–graphene nanocomposites that exhibited conversion efficiency 24% higher than a module made without graphene. Engineering grain boundary complexions with 2-D materials introduces a new strategy for advanced thermoelectric materials.方钴矿材料被公认有希望用于热电废热回收。虽然方钴矿结构能有效地散射高频声子,但还是需要晶界工程来进一步降低热导率,而不是仅仅简单地减小晶粒尺寸。本文作者们发现,与无石墨烯的晶界相比,还原的氧化石墨烯(rGO)可将晶界热阻系数提高3到5倍。使用n型和p型方钴矿-石墨烯纳米复合材料,作者们制造了一个16腿热电模块,它的转换效率比不使用石墨烯的模块高24%。复合二维材料的晶界工程为开发高先进的热电材料引入了新的策略。Open Access(限时免费阅读原文,登陆后可下载)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/EE/C6EE02467J#!divAbstract

【视频】Science评出2016年度科技突破

Science网站终于放出了2016年度科技突破的结果,第一的宝座毫无悬念的留给了“引力波的发现”。引力波,源自100年前阿尔伯特•爱因斯坦在广义相对论中的一个预测,但发现这种极为微小的时空波动,却花了40年。但是,发现引力波并不是故事的结尾,科学家认为这个发现是一个新领域的诞生:引力波天文学。排在引力波之后的科技突破一样十分精彩,例如:谷歌(Google)旗下DeepMind公司人工智能“阿法狗(AlphaGo)”以4:1的总比分打败顶级围棋选手李世石;哈佛大学的二氧化钛纳米阵列“超级镜头”,比纸还薄,却能将图像放大170倍且分辨率超高(点击阅读详细);非洲之外居住的人类,祖先很可能就是同一批非洲移民;基于纳米孔的DNA测序技术,操作简单设备携带方便,24小时内生成测序信息……等等等等。还是来看视频吧视频来源:Science部分内容编译自:http://www.sciencemag.org/news/2016/12/ripples-spacetime-sciences-2016-breakthrough-year

“年度科技突破”:《科学》刊登读者五大选择

(图片来源:科学网)2016年科学发现、发展和趋势中,哪个最令你印象深刻?不久前,《科学》杂志收回11000张读者对这一问题的投票,刊登出读者所选的五大“年度科技突破”。这份名单包括:(1)老细胞清除术——让小鼠焕发新活力;(2)纳米孔测序仪——被诉讼、再升级、上太空;(3)人机围棋大战——赢了比赛也是工具;(4)首次探测到引力波——开启天文学全新时代;(5)体外胚胎发育——首次超越一周存活13天。http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2016-12/20/content_357823.htm?div=-1

Cell公布2016年度最佳文章

(图片来源:Cell)近日,Cell杂志公布了2016年度10篇最佳论文和4篇最佳综述。最佳文章包括:(1)Mitochondrial Dynamics Controls T Cell Fate through Metabolic Programming;(2)Genomic and Transcriptomic Features of Response to Anti-PD-1 Therapy in Metastatic Melanoma;(3)Progressive Loss of Function in a Limb Enhancer during Snake Evolution;(4)Domestication and Divergence of Saccharomyces cerevisiae Beer Yeasts;(5)Zika Virus Infection during Pregnancy in Mice Causes Placental Damage and Fetal Demise;(6)Microbial Reconstitution Reverses Maternal Diet-Induced Social and Synaptic Deficits in Offspring;(7)Breaking Cryo-EM Resolution Barriers to Facilitate Drug Discovery;(8)Programmable RNA Tracking in Live Cells with CRISPR/Cas9;(9)High-Throughput, High-Resolution Mapping of Protein Localization in Mammalian Brain by In Vivo Genome Editing;(10)Ultra-High Resolution 3D Imaging of Whole Cells。最佳综述包括:(1)Biology and Applications of CRISPR Systems: Harnessing Nature’s Toolbox for Genome Engineering;(2)The Basis of Oncoimmunology;(3)Modeling Development and Disease with Organoids;(4)The Cellular Phase of Alzheimer’s Disease。http://cell_bestof2016.elsevierdigitaledition.com/

《自然》2016十大科学人物,Sci-Hub创始人等入选

(图片来源:Nature)年关将至,科学界也开始了年终盘点。2016年12月19日,Nature公布了2016年度十大科学人物,总结了2016年对科学产生重大影响的十个人。这份名单包括:帮助人类首次捕捉到引力波的物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯(Gabriela Gonzalez);研发出“阿尔法狗”的DeepMind公司联合创始人德米斯·哈萨比斯(Demis Hassabis);澳大利亚研究理事会(ARC)珊瑚礁研究中心负责人特瑞·修斯(Terry Hughes);为达成国际气候协定做出卓越贡献的大气化学家古斯·凡德尔斯(Guus Velders);寨卡侦探赛琳娜·M·杜尔基(Celina M. Turchi);Sci-Hub创始人亚历山德拉·埃尔巴克彦(Alexandra Elbakyan);时常挑战科学伦理的生殖医学“怪才”张进;CRISPR警示者凯文·埃斯维特(Kevin Esvelt);发现已知最近太阳系外行星的天文学家古伊勒姆·安格拉达-埃斯库德(Guillem Anglada-Escudé);为少数群体获得更大程度包容铺平道路的物理学家伊莲娜·朗(Elena Long)。http://www.nature.com/news/nature-s-10-1.21157

美国化学会C&EN评选出2016年顶级科研成果

今天带来的,是美国化学会(ACS)旗下的C&EN“年终总结”中最重磅的一篇——“Top Research of 2016”,X-MOL团队为诸君编译如下。▌过程化学:冰箱大小的药物生产机器提到药物制造,很多人都会想起洁净宽阔的厂房、精密运转的大型机器和众多全副武装的技术人员。的确,目前制药公司通常在大型工厂中批量生产药物,生产过程往往漫长而复杂,不同的步骤甚至有可能在不同的地方完成。不过,制药业也在出现一种新趋势,即通过使用小型连续流系统(continuous-flow system)根据需要定制药物,以降低基础设施的成本。今年,麻省理工学院(MIT)的Timothy F. Jamison、Klavs F. Jensen、Allan S. Myerson和同事设计了一个冰箱大小的连续流系统设备,作为“迷你工厂”以最终制剂的形式来生产临床上直接可用的药物(点击阅读详细)。该系统将药物生产体系上游的化学反应器单元与下游的沉淀、过滤、重结晶和制剂等单元组合在一起,还具有用于质量控制和过程评估的化学分析和计算模块。这种“迷你工厂”比传统的设备小得多,而且更便宜,可以在大约两个小时内按需要制备数百或甚至数千份剂量的药物,特别适合用于制备保质期较短的药物,病人群体很小的“孤儿药”,或者受突发公共卫生事件影响的少部分患者群体的药物。此外,它将会减少对药物运输和存储的需求,让药物生产更加灵活和有针对性,会更受小公司或发展中国家青睐。连续流系统药物生产机器。图片来源:MIT目前,该系统已经可以生产苯海拉明、盐酸利多卡因、地西泮、盐酸氟西汀的口服和外用液体制剂。下一步,MIT的科学家们希望将系统体积再缩小40%,增加合成更复杂药品的能力,并且将这种专利技术商业化。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://science.sciencemag.org/content/352/6281/61On-demand continuous-flow production of pharmaceuticals in a compact, reconfigurable systemScience, 2016, 352, 61-67, DOI: 10.1126 /science.aaf1337▌高分子:首个“吃”PET塑料的细菌聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)是最常见的塑料之一,和其他塑料一样,在给人类生活带来很大便利的同时,也会给环境带来很大的压力。全世界的PET塑料年产量超过4500万吨,被生产成矿泉水瓶、色拉盒、花生酱罐以及其它各式各样的产品。PET在美国已经是回收最多的塑料,但是仍有超过一半的PET塑料最终只能进入垃圾填满场,而这种聚合物中的酯键很强,很难自然降解。日本京都工艺纤维大学的小田康平(Kohei Oda)和庆应义塾大学的宫本贤治(Kenji Miyamoto)等人今年报道了一种利用细菌来帮助降解PET的新方法,这是迄今发现的第一种可以“吃掉”PET塑料的细菌,它将PET作为其主要的碳源和能量来源(点击阅读详细)。他们的研究小组筛选了来自一个塑料回收厂的样本,包括沉积物、土壤、废水和活性污泥,经过微生物筛选发现一种细菌能够在PET薄膜上成长。这种首个被发现能“吃掉”PET的细菌被命名为Ideonella sakaiensis。在两种酶的帮助下,能“吃”PET的细菌。图片来源:SciencePET可通过化学水解方法得到单体进行回收,但该方法需要高温和高压。而这种细菌在温和的30 ℃温度条件下就能够“切割”PET聚合物,得到单体对苯二甲酸和乙二醇。研究人员发现,有两种酶对于这种细菌的PET降解能力十分关键:一种被称为PETase,将PET降解为中间产物单(2-羟乙基)对苯二甲酸(MHET);另一种被称为MHETase,将MHET水解成单体对苯二甲酸和乙二醇。不过,这种细菌目前还是个“挑食的吃货”,更喜欢无定形PET,而不是大多数产品中使用的结晶态PET。另外,两种关键酶的作用也太慢,目前也不太适于在工业上。不过没关系,随着科学家进一步优化和改进,纯生物手段的PET高效率无污染回收,或许不用等待太久。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)Science, 2016, 351, 1196-1199, DOI: 10.1126/science.aad6359▌材料学:液态金属的新应用看到“液态金属”这四个字,除了水银,很多读者脑海里可能都会冒出电影《终结者2》中液态金属终结者机器人T-1000的身影。在科幻电影之外,液态金属也是科学家们长期以来很感兴趣的课题。今年,液态金属的一些新应用再次引起了人们的关注。图片来源:电影《终结者2》片段镓及其一些合金是一种液态金属,当暴露于空气中时,会自发形成薄的氧化物外皮,从而稳定液滴形态以及研究人员创造的其他任意图案。如果这种材料被挤压,氧化物外皮破裂,金属会恢复流动,直到重新生成氧化物外皮。液态镓基合金形成的图案。图片来源:Michael Dickey/NCSU北卡罗来纳州立大学(NCSU)Michael D. Dickey领导的团队利用镓(Ga)基合金的这种特性,制造了最小可到10 μm的聚合物包覆的eGaIn线,eGaIn是镓和铟的共晶混合物,熔点15.5 °C,在室温下是液体。与普通的电线不同,由eGaIn制成的线可以很容易地被拉伸、弯曲和成形,同时还能保持导电性。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235243161630075XDrawing liquid metal wires at room temperatureExtreme Mech. Lett., 2016, 7, 55-63, DOI: 10.1016/j.eml.2016.03.010在今年的另一项研究中,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Stéphanie P. Lacour和同事们设计了一种两相材料,包含固体AuGa2簇和散布其中的液体镓微液滴。他们使用这种材料通过喷墨打印,在手套上制造包含LED和传感器堆叠层的可拉伸装置,能够追踪手指的细微运动(如下图)。图片来源:Adv. Mater.扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201506234/abstractIntrinsically Stretchable Biphasic (Solid–Liquid) Thin Metal FilmsAdv. Mater., 2016, 28, 4507-4512, DOI: 10.1002/adma.201506234爱荷华州立大学的Martin Thuo团队利用铋-铟-锡和相关合金自发形成的氧化物外皮,从而使液态金属微液滴即使在低于其熔点的温度下也不会凝固。对液滴施加温和的力就能破坏氧化物外皮,使得金属在外皮重新形成之前可以短暂地流动。研究人员利用这种特殊的性能可以在室温下将金属部件结合在一起,也就是说,可以在没有电或加热的情况下进行焊接。Bi-In-Sn合金微液滴。图片来源:Sci. Rep.扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://www.nature.com/articles/srep21864Mechanical Fracturing of Core-Shell Undercooled Metal Particles for Heat-Free SolderingSci. Rep., 2016, 6, 21864, DOI: 10.1038/srep21864▌C-H键活化:亚甲基活化的新高度美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute,TSRI)余金权(Jin-Quan Yu)教授和加州大学洛杉矶分校(UCLA)K. N. Houk教授等化学家今年实现了一个长久以来都未曾实现的目标:选择性活化有机化合物中最常见的基团之一——亚甲基(CH2)中特定的碳氢键并将其转化为手性中心(点击阅读详细)。余金权教授(左)和K. N. Houk教授。图片来源:TSRI/UCLA具体来说,这篇论文中化学家们通过使用乙酰基保护的胺乙基喹啉配体,实现了单一亚甲基碳中心上前手性碳氢键的不对称钯插入,他们还把这些钯复合物用于了脂肪族酰胺的β-位碳氢键不对称官能团化,使用双齿配体来加速碳氢键的活化对于避免底物诱导的环钯化背景反应是至关重要的,从而可以保证高的对映选择性。作者还将这一配体促进的碳氢键活化反应用于了简单羧酸底物的β-位碳氢键芳基化,而不需要再引入导向基。亚甲基C-H键选择性活化。图片来源:Science瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)不对称合成专家Erick M. Carreira评论说:“余的团队把之前认为不可能的事情变成了现实。”这篇论文的背后,是余金权教授14年的努力和坚持。对映选择性的活化β-亚甲基“是我第一个独立工作的项目,那还是在2002年,我还在剑桥大学,”余金权在接受采访时说,“花了14年才终于完成目标。”论文刊登之后,余金权教授和他的同事们还在进一步扩展他们的方法,例如在其他官能团(如烷基胺)附近创建手性中心。与余教授课题组有合作的百时美施贵宝(BMS)的化学家,已经在用这个反应合成药物候选分子,“但还需要优化以提高复杂底物反应的收率,”余教授说,“我们可能会将这项技术授权给一家化学品开发公司,目前正在谈判。”扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://science.sciencemag.org/content/353/6303/1023Ligand-accelerated enantioselective methylene C(sp3)–H bond activationScience, 2016, 353, 1023-1027, DOI: 10.1126/science.aaf4434▌诊断学:今年流行可穿戴传感器智能手环、智能手表以及有些手机App可以让人们记录他们的心率、血压以及跑了多远,一些研究人员希望更进一步,开发能够分析人的汗水或环境中化学物质的设备,以监测健康状态、锻炼效果甚至化学品暴露风险。韩国首尔大学Dae-Hyeong Kim教授领导的研究团队报告了基于石墨烯的可穿戴设备在糖尿病治疗领域的新用途(点击阅读详细)。糖尿病人需要长期监控血糖水平并服用药物,目前的常见的测血糖方法大都需要抽取血液,麻烦且有健康风险。Kim等人发明的这种可穿戴贴片(如下图),贴在皮肤上,通过涉及酶葡萄糖氧化酶的电化学反应测量人体汗水中的葡萄糖含量来检测血糖水平,不会造成任何创伤。另外,与微针阵列相结合,这种可穿戴设备还能够通过皮肤输送治疗糖尿病的药物。图片来源:Nat. Nanotechnol.扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://www.nature.com/nnano/journal/v11/n6/full/nnano.2016.38.htmlA graphene-based electrochemical device with thermoresponsive microneedles for diabetes monitoring and therapyNat. Nanotechnol., 2016, 11, 566-572, DOI: 10.1038/nnano.2016.38加州大学伯克利分校Ali Javey领导的研究小组开发了一种可穿戴设备,包括柔性PET片上的电路板和传感器阵列,可以检测使用者汗液中的盐水平、乳酸盐和葡萄糖。这样,使用者就有可能在出现健康问题之前接收到警报,例如脱水、肌肉痉挛甚至糖尿病。Javey认为,该设备将来的生产成本有可能控制在10美元左右。图片来源:Nature扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7587/full/nature16521.htmlFully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysisNature, 2016, 529, 509-514, DOI: 10.1038/nature16521麻省理工学院Timothy M. Swager领导的化学家们设计了一种无线徽章,以检测类似化学武器(如神经毒剂)的分子,灵敏度达十亿分之一。该装置基于浸没在离子液体中的碳纳米管,如果有亲电靶分子存在,它们的电阻会发生改变。图片来源:Joseph Azzarelli/MIT扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201604431/abstractWireless Hazard Badges to Detect Nerve-Agent SimulantsAngew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 9662-9666, DOI: 10.1002/anie.201604431▌药物发现:加强抗生素的“军火库”传染性病菌和人类之间的战斗持续了成千上万年,而今年人类有可能稍稍占据优势,这是因为有两组科学家设法升级了我们的抗菌“军火库”——一组制造了新的大环内酯类化合物,另一组则是在我们的鼻子里寻找新抗生素。哈佛大学Andrew G. Myers研究小组的化学家想出了如何用全合成的方法来增加大环内酯类药物的数量(点击阅读详细)。大环内酯类抗生素是含有14至16个碳原子的大环,包括红霉素和阿奇霉素,Myers等人的“积木式”策略使得他们能够制备之前难以获得的大环内酯类化合物。Myers已经成立了一家名为Macrolide Pharmaceuticals的公司,到目前为止,使用该策略全合成了近1,000种大环内酯类化合物。其中许多对革兰氏阴性病原体具有前所未见的活性,包括对目前使用的几种抗生素耐药的大肠杆菌和克雷伯菌。“积木式”大环内酯全合成策略。图片来源:Nature扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://www.nature.com/nature/journal/v533/n7603/full/nature17967.htmlA platform for the discovery of new macrolide antibioticsNature, 2016, 533, 338-345, DOI: 10.1038/nature17967德国蒂宾根大学微生物学家Andreas Peschel和Bernhard Krismer领导的团队通过人类鼻孔中的细菌筛选,发现了一种能杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的化合物(点击阅读详细)。该分子是一种新的含有噻唑烷的环状肽,称为路邓素(lugdunin),由人类鼻子里面的一种细菌——路邓葡萄球菌Staphylococcus lugdunensis分泌,而这种菌落在约70%的人鼻子中都存在。路邓素代表着一种新的抗菌剂种类,是第一个来自主要生活于人体内的细菌的抗生素。这个发现可能刺激科学家在我们身体的其他地方寻找新的武器,以抗击细菌侵入者。鼻子里的强力抗生素。图片来源:C&EN扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://www.nature.com/nature/journal/v535/n7613/full/nature18634.htmlHuman commensals producing a novel antibiotic impair pathogen colonizationNature, 2016, 535, 511-516, DOI: 10.1038/nature18634▌生物催化:酶法构建C-Si键硅是地球上位列氧之后第二丰富的元素,但C-Si键在自然界却从未出现过,无论是生物有机硅化合物,还是生成它们的生物合成途径。加州理工学院(Caltech)的研究人员今年发现,如果提供一些合适的起始材料,一些血红素蛋白可以立体特异性地形成C-Si键。“因为我们提供了合适的前体,自然的铁血红素化学就实现了这一转化,”领导此项工作的Frances H. Arnold说,“这是一个令人印象深刻的例证,大自然可以很容易的进行创新。”先前,Arnold实验室以及其他地方的工作已经表明,血红素蛋白可以通过插入N-H和S-H键催化非天然卡宾转移反应。在新的实验中,加州理工学院的研究人员筛选了一系列血红素蛋白,以找到那些能够催化2-重氮基丙酸乙酯插入二甲基(苯基)硅烷Si-H键反应的蛋白。来自于在冰岛海底温泉中发现的细菌Rhodothermus marinus的细胞色素c催化反应的对映选择性达到97% ee,但转换数较低。不过,细胞色素c蛋白通常不催化化学反应,它们通常在细胞中的生物分子之间转移电子。细胞色素c中的血红素蛋白可催化C-Si键形成。图片来源:Science通过定向进化,加州理工学院团队发现R. marinus细胞色素c的三个突变可以将新酶的对映选择性提高到大于99% ee,并将其转换数提高约15倍。“这一发现或许可以用于促进工业相关的反应,例如烯烃的氢硅烷化。”柏林工业大学的Hendrik F. T. Klare和Martin Oestreich在同期发表的观点文章的评论道。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://science.sciencemag.org/content/354/6315/1048Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to lifeScience, 2016, 354, 1048-1051, DOI: 10.1126/science.aah6219▌催化:单原子催化剂金属氧化物或其它固体载体上负载的催化材料(通常是贵金属,例如铂)对工业规模化学过程非常重要,例如将原油转化为汽油。与常规的多原子催化剂相比,采用单原子分散的金属进行催化反应的单原子催化剂的利用率非常高(理论上达100%),大大降低昂贵和稀缺的贵金属的消耗。此外,原子尺度均匀性使不需要的反应和副产物最小化,并使得研究人员能更简单地推断反应机理,这对改善催化剂至关重要。在今年的一项研究中,新墨西哥大学的Abhaya K. Datye及同事们发现,将铂纳米颗粒暴露于热氧化条件可导致铂形成挥发性PtO2,可从纳米颗粒解吸附(点击阅读详细)。研究人员指出,在高温处理时Pt以PtO2的形式气化,又因与邻近CeO2表面的强相互作用而被CeO2捕获,并以高度分散的形式负载在CeO2载体表面,得到了原子级分散的Pt催化剂,在高温下保持稳定而不团聚,并表现出了一定的CO氧化活性。CeO2捕获气化的Pt氧化物物种示意图。图片来源:University of New Mexico扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://science.sciencemag.org/content/353/6295/150Thermally stable single-atom platinum-on-ceria catalysts via atom trappingScience, 2016, 353, 150-154, DOI: 10.1126/science.aaf8800另一项单原子催化剂研究中,由中国科学院大连化学物理研究所所长张涛院士领导的小组开发了一种制备单原子钴催化剂的湿化学方法。这种催化剂避免了贵金属的使用,可催化氢化和其他反应。但在此之前,关于这类催化剂中活性位点的详细知识难以捉摸,这也阻碍了它们的发展。张涛院士课题组确定了催化剂的活性位点结构,钴原子与石墨层中的四个吡啶氮原子配位,并由两个弱吸附的O2分子封端。该催化剂负载量高达3.6 wt.%,可高活性、高选择性地催化硝基苯加氢偶联制备偶氮苯的反应。钴单原子催化剂和催化的反应。图片来源:Chem. Sci.扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C6SC02105KSingle-atom dispersed Co–N–C catalyst: structure identification and performance for hydrogenative coupling of nitroarenesChem. Sci., 2016, 7, 5758-5764, DOI: 10.1039/c6sc02105k▌结构生物学:三个生物大分子的结构结构生物学家通过冷冻电子显微镜、X射线晶体学和其他技术来解析生物大分子的结构,这里列出了C&EN选择的今年三个“明星”生物大分子结构。DNA酶(DNAzyme)的结构在今年以前一直是个谜,因为研究人员无法结晶这种类型的生物催化剂。德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的ClaudiaHöbartner和Vladimir Pena领导的团队解决了这个问题,他们报告了DNAzyme 9DB1的结构,该酶可以连接RNA链(Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature16471)。图片来源:Claudia Höbartner核孔复合物非常巨大,对细胞核也很重要,它负责着数千种蛋白质、RNA分子和营养物质的进出。两个独立的团队,一个由欧洲分子生物学实验室的Martin Beck领导,另一个由加州理工学院的André Hoelz领导,分别解析了这个包括30种核孔蛋白的超大型细胞机器(Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf0643; DOI: 10.1126/science.aaf1015)。图片来源:Science组蛋白脱乙酰酶6(HDAC6)的原子分辨率结构对药物开发非常重要,这个蛋白是癌症化疗的“热点靶标”。两个独立的研究小组,一个由宾夕法尼亚大学的David W. Christianson领导,另一个由弗雷德里希•米歇尔生物医学研究所的Patrick Matthias领导,分别解析了HDAC6的结构(Nat. Chem. Biol., 2016, DOI: 10.1038/nchembio.2140; DOI: 10.1038/nchembio.2134)。图片来源:Nat. Chem. Biol.▌今年最酷的分子昨天已经报道过了,请点击这里查看http://yearinreview.cenmag.org/top-research-of-2016/

美国化学会C&EN:2016年化学分子谁最酷?

又到了年底,又到了“年终总结季”。美国化学会(ACS)旗下的C&EN也照例开始准备他们的一系列“年终总结”,首先登场的是一批今年打破各种记录的炫酷化学分子,X-MOL团队为诸君编译如下。▌1. 首个无机双螺旋分子SnIP的分子结构示意图。图片来源:Tom Nilges/TUM说起双螺旋结构,第一个想到的肯定是DNA分子,但纯无机的双螺旋结构分子却从未见诸报道。慕尼黑工业大学(TUM)Tom Nilges领导的化学家团队今年实现了突破,报道了第一种完全无机的双螺旋化合物SnIP。这是一种半导体材料,分子结构呈互相绞合的双链状,包括一条碘化锡(SnI+)链和一条磷(P-)链(见上图)。这两条链通过锡与磷的孤对电子之间的弱相互作用而保持结合,并且每个双螺旋通过比DNA中的氢键更强的相互作用与相邻的双螺旋配位。这种材料可以形成针状晶体(见下图),柔性极好,甚至可以对折而不会发生任何损坏。它们还可以很容易地被制备成直径小于20 nm的纳米棒。这些独特的性质再加上其光学性能,Nilges说“我们乐观地认为SnIP可用于半导体领域,如柔性太阳能电池等。”SnIP的针状晶体。图片来源:Tom Nilges/TUM扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603135/abstractInorganic Double Helices in Semiconducting SnIPAdv. Mater., 2016, 28, 9783-9791, DOI: 10.1002/adma.201603135▌2. 二茂铁“摩天轮”二茂铁“摩天轮”的分子结构。图片来源:Nature Chem.坐落在英国伦敦泰晤士河畔的伦敦眼(The London Eye),是世界上首座观景摩天轮,也是伦敦的地标建筑之一。可能由于经常看到它的缘故,伦敦帝国学院的Michael S. Inkpen,Nicholas J. Long、Tim Albrecht等人受到启发,只用二茂铁,制造了一个分子级别的“摩天轮”。科学家们之前制出过二茂铁大环或者线性链结构,但这个“摩天轮”似的二茂铁纳米环却与众不同,它只包含五至九个1,1’-二取代的二茂铁单元。除了结构特殊,这种具有氧化还原活性的纳米结构还有众多潜在的用途,比如用于捕获离子或分子以检测或控制它们,以及电子学和磁学领域。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://www.nature.com/nchem/journal/v8/n9/full/nchem.2553.htmlOligomeric ferrocene ringsNature Chem., 2016, 8, 825-830, DOI: 10.1038/nchem.2553▌3. 配位数之王Cs[H2NB2(C6F5)6]结构示意图。图片来源:JACS金属阳离子中心最多能有多少个配位键?德国马克斯普朗克煤炭研究所的Klaus-Richard Pörschke和同事们给出的答案是16个,这也创造了新的记录。他们报道了一个新的分子——Cs[H2NB2(C6F5)6],其中弱配位阴离子呈负一价,一个中心铯原子可以和五个阴离子单元中的16个氟原子形成配位键。在不使用氢作为配位配体的情况下,这是科学家们首次在一个络合物中实现超过12个配位键。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b02590Cs[H2NB2(C6F5)6] Featuring an Unequivocal 16-Coordinate CationJ. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 9444-9451, DOI: 10.1021/jacs.6b02590▌4. “三全”分子同时包括单键、双键和三键的铬络合物(a)和钨络合物(b)。图片来源:Chem. Sci. / Inorg. Chem.注意,这里的“三全”不是速冻水饺或者汤圆,指的是一个分子内同时包括单键、双键和三键,三种键都齐全。美国密歇根州立大学的Evan P. Beaumier和Aaron L. Odom等人报道了一种氮-铬络合物(上图a),在一个铬原子上同时连有氮单键、双键和三键。不过,他们并不是第一个玩类似花样的化学家,约40年前的1978年,Schrock和Clark合成了一个钨络合物——W(CBut)(CHBut)(CH2But)(dmpe),在一个钨原子上同时连有碳单键、双键和三键(Inorg. Chem., 1979, 18, 2454-2458)。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C5SC04608DA complex with nitrogen single, double, and triple bonds to the same chromium atom: synthesis, structure, and reactivityChem. Sci., 2016, 7, 2532-2536, DOI: 10.1039/C5SC04608D▌5. 磷属“糖葫芦”包含磷属四种元素链的分子。图片来源:C&EN据说,无机化学的乐趣之一,就是盯着元素周期表看看能做些什么新奇而有趣的事情。英国牛津大学的Alexander Hinz及德国罗斯托克大学的Axel Schulz和Alexander Villinger显然也是这么想的。他们盯上了磷属元素(第15族元素,氮至铋),并制备了一种磷属元素的“糖葫芦”分子,其中包括前无古人的Sb-N-As=P链。有意思的还在后面,作者们接受采访时才表示,他们最开始的脑洞其实更大,目标是合成一个包含同一族四种元素的杂环!后来因为实在没有办法把线性前体分子成环,这才作罢。细心的(或者有强迫症的)读者可能注意到了,这个分子并不“完美”,确少铋(Bi),不过这已经在作者们的下一步计划中,他们表示铋应该也可以加入到该分子中。一旦他们成功,不管是成环,还是做个更大的“糖葫芦”,都将再一次创造历史。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201601916/abstractSynthesis of a Molecule with Four Different Adjacent PnictogensChem. Eur. J., 2016, 22, 12266-12269, DOI: 10.1002/chem.201601916▌6. 最强的碱……理论上的邻二乙炔基苯二价阴离子。图片来源:C&EN通过在气相实验中制备邻二乙炔基苯二价阴离子,澳大利亚昆士兰科技大学的Berwyck Poad和同事们创造了目前世界上最强的化学碱。不过,该分子的碱性却是通过一个基于Marcus-Hush理论的模型计算所得,利用高级量子化学计算,该分子的质子亲和力达到了1,843 kJ mol−1,远超其他超级碱。研究人员说,这个二价阴离子强到足以将气相中的苯去质子化,其质子亲和力的记录不太可能被打破了(小编:真的么?记录不就是用来被打破的?)。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C6SC01726FPreparation of an ion with the highest calculated proton affinity: ortho-diethynylbenzene dianionChem. Sci., 2016, 7, 6245-6250, DOI: 10.1039/C6SC01726F▌7. 偶极矩最大的中性分子偶极矩最大的中性六取代苯。图片来源:C&EN德国马克斯普朗克聚合物研究所的Klaus Müllen领导的研究小组制备了一种六取代的苯,其中吸电子的氰基和给电子的氨基结合在一起,在同一个方向“拉”和“推”分子的电子密度。经测定,其拥有中性分子中已知最大的偶极矩——14.1 Debye,已经超过了离子化合物如溴化钾(偶极矩为10.5 Debye)。扫描或长按二维码,识别后直达原文页面http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201508249/abstractHexasubstituted Benzenes with Ultrastrong Dipole MomentsAngew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 3220-3223, DOI: 10.1002/anie.201508249这些分子到底谁最酷?C&EN 前正在投票,有兴趣的读者可以去凑凑热闹。http://yearinreview.cenmag.org/poll-what-was-the-coolest-molecule-reported-in-2016/原文标题:Molecules of the yearhttp://yearinreview.cenmag.org/molecules-of-the-year/

X-MOL盘点:11月化学前沿科研成果精选

X-MOL团队从Nature、Science、Nature Chemistry和JACS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)副产物带来的Nature:董广彬、刘鹏团队实现环戊酮碳碳键活化Nature, DOI: 10.1038/nature19849http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7630/full/nature19849.htmlCatalytic activation of carbon-carbon bonds in cyclopentanone打开相对“惰性”的C-C键并不容易,目前比较热门的是金属催化的环张力释放驱动的三元环或四元环C-C键的活化,要想在更常见但张力较小的五元环或者六元环中实现类似的反应,难度就变得更大。尽管当量铑作用的环戊酮脱碳反应已有报道,但效率较低。对于环酮亚胺类化合物,较大的环,如七元环或者更大环系,其C-C键活化效率令人满意,但相同策略对五元环或六元环则显得力不从心。基于以上报道,不难看出环戊酮的C-C键高效选择性活化一直以来都充满着挑战。由于C-C键对金属的氧化加成是可逆的,其逆过程还原消除更加容易。因此,为了实现环戊酮C-C键的活化,需要给予足够的驱动力。芝加哥大学董广彬教授和匹兹堡大学刘鹏教授研究团队巧妙地在环戊酮的3-位引入芳基,在C-C键断裂后,串联一步较为容易的芳烃C-H键活化,而后还原消除、质子化得到热力学稳定的α-四氢萘酮结构。董广彬教授在接受采访时透露,这一成果也是源于偶然发现。2014年,董广彬课题组报道了铑催化的芳基取代环戊酮α-位C-H键与乙烯的反应,在研究该底物的其他类型反应时,研究者们意外得到了少量α-四氢萘酮结构副产物。前面已经说过五元环的C-C键活化相当困难,这一副产物的发现激起了研究者们的兴趣,于是他们对反应条件进行了大量的筛选和优化,终于发现在使用3-芳基取代的环戊酮时,可以顺利地得到α-四氢萘酮结构产物。(二)钱永健先生遗作:“彩色”电镜洞悉微观多元世界Cell Chem. Biol., DOI: 10.1016/j.chembiol.2016.10.006http://www.cell.com/cell-chemical-biology/abstract/S2451-9456(16)30357-9Multicolor Electron Microscopy for Simultaneous Visualization of Multiple Molecular Species加州大学圣地亚哥分校医学院和霍华德·休斯医学研究所的科学家最近发表的文章展示了一种可以同时用电镜观察多种“颜色”的方法。文章的作者中包括最近离世的诺贝尔奖得主、大名鼎鼎的钱永健(Roger Tsien)教授,这篇文章的通讯作者Stephen Adams博士,正是钱永健先生课题组的一位科学家。在这项工作中,为了获得彩色电镜图,研究者们需要按照一定的顺序给细胞的不同结构“上色”,如蛋白质、细胞膜或整个细胞。所用的不同染料是稀土金属离子的配合物。研究者们首先给线粒体和细胞核分别染色,在光照下,红色染料会特异性地光氧化,使Ce-DAB2沉积;Pr-DAB2也如此沉积到细胞核膜上。经过常规的锇处理后,分别用电镜拍摄锇、铈、镨,获得图像,再将图片重叠就能得到细胞内部结构的彩图。彩色电镜提供了单色电镜不能显示的细节信息。标准的电镜操作是用金颗粒标记不同的结构,电子能量损失值是相同的,这就造成了有时很难辨别结构的边界。另一方面,彩色电镜又比彩色荧光显微镜分辨率高得多,堪称神器。理论上,只要能发展更多稀土染料,彩色电镜就能添加更多颜色。这种方法操作非常简单,用的化合物也很容易制备。尤其难得的是它不需要专门的检测器,大部分标准透射电镜都可以操作。(三)“机器人化学家”分分钟搞定Suzuki反应优化React. Chem. Eng., DOI: 10.1039/C6RE00153Jhttp://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/RE/C6RE00153JSuzuki–Miyaura cross-coupling optimization enabled by automated feedback麻省理工学院(MIT)的两位大牛Stephen L. Buchwald和Klavs F. Jensen联手报道了他们利用“机器人化学家”优化Suzuki-Miyaura交叉偶联反应。作者们使用了一个自动的滴流微流控系统探索反应的优化,一个基于DoE的算法被用来提高反应的TON和产率,并同时考虑离散变量(如钯化合物和配体)以及连续变量(如温度、时间、催化剂载量等)。作者发展的这套自动化系统,不仅可以优化反应,还可以根据原料和前催化剂的趋势对于实验结果进行合理化分析,这可以用来更直接地探索相同的自动化实验体系。根据所获得的信息,可以更合理地选择实验参数,包括前催化剂和配体的性质等。在96个实验中,“机器人化学家”都成功地优化了反应条件,用时均不超过10分钟。从筛选结果中,作者确定了那些成功的前催化剂的共性,从而可以帮助化学家更好地理解转金属化和氧化加成过程中配体的影响。作者对二烷基二芳基膦、三烷基膦及双齿配体等都进行了评估。(四)杨培东团队巧妙设计纳米结构,高选择性催化多相串联反应J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.6b03915http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b03915Insights into the Mechanism of Tandem Alkene Hydroformylation over a Nanostructured Catalyst with Multiple Interfaces在之前工作基础之上,美国加州大学伯克利分校的杨培东教授课题组与Gabor A. Somorjai合作,报道了通过湿化学的方法制备了具有核壳结构的CeO2-Pt@m-SiO2材料。合成方法简单的来说就是先在CeO2上沉积一些Pt粒子,然后再包裹一层多孔的SiO2。这样一来,还是存在一个Pt-CeO2界面和一个Pt-SiO2界面。两个界面耦合在一起,理论上可以催化甲醇+乙烯→丙醛的反应。考虑到上述串联反应中存在一个竞争的副反应(乙烯加氢到乙烷),于是作者考虑了不同结构的催化剂在几个单步反应中的反应速率,经过巧妙设计的CeO2-Pt@m-SiO2材料具有最高的乙烯甲酰化的反应速率,同时相比于CeO2-Pt,乙烯加氢的速率还有所减小。这说明,CeO2-Pt@m-SiO2极有可能在甲醇+乙烯→丙醛的反应中体现出优异的性能。结果确实如此,CeO2-Pt@m-SiO2催化剂可以得到48.9%的丙醛选择性;而如果直接用CeO2-Pt@m-SiO2催化乙烯的甲酰化,丙醛的选择性仅有2.2%。(五)怎样才能发牛文章?来定量地预测一下Science, DOI: 10.1126/science.aaf5239http://science.sciencemag.org/content/354/6312/aaf5239Quantifying the evolution of individual scientific impact美国东北大学Albert-László Barabási率领的团队最新开展的一项研究却表明,不管你处在职业生涯哪个阶段,写出高质量文章的概率都相差不大。研究者对数千位科学家发表的文章进行了认真分析,他们的研究表明,从被引用次数最多的文章的发表时间来看,其实分布得比较平均,并没有哪个阶段显得鹤立鸡群。这个结论可能出乎很多人的意料,要知道,长期以来大家就被灌输了这样一种观念:伟大的发现和有重要影响力的工作基本都诞生于科学家的职业生涯早期。不过,新研究倒没有否认这一点:随着科学职业生涯逐渐走向尾声,发表的文章数量呈缓缓下降趋势。参与该项研究的研究者们建立了一个数学模型,以评估一篇文章大获成功的可能性。这个模型依据的标准有两个:一个是运气;另一个则被称为Q因子(被用来衡量一名科学家对某个学科领域的推动能力)。研究者分析统计了2887位物理学家发文章的情况,以对该模型进行检验。他们发现,就“运气”而言,没多大差别。至于Q因子,研究者是通过统计各位科学家文章被引用情况求出——与一定时间段内文章被引用次数的对数成正比。研究者本以为,既然科学家会变得越来越有经验,其Q值自然会随着职业生涯的发展而不断增长。然而,这些人的Q值几乎一直没怎么变过!这表明:一个人的科学职业生涯刚刚开始,这个Q值差不多就定下来了。不过,目前一个比较大的挑战就是:如何找出决定Q值的因素。(六)为了忘却的记忆——默克抗阿尔兹海默症新药挺进三期临床Sci. Transl. Med., DOI: 10.1126/scitranslmed.aad9704http://stm.sciencemag.org/content/8/363/363ra150The BACE1 inhibitor verubecestat (MK-8931) reduces CNS β-amyloid in animal models and in Alzheimer’s disease patients阿尔兹海默症(Alzheimer's disease,AD)是一种常见的慢性神经退行性疾病,目前关于阿尔兹海默症的发病机制有多种假说,最著名的是以β-淀粉样多肽(amyloid-β,Aβ)为代表的Aβ假说——由于Aβ的产生与代谢、解离与凝聚的不均衡,过多的Aβ逐渐聚集形成老年斑,从而导致其他异常如神经纤维纠缠结、轴突和神经细胞缺失等病理性改变。BACE1(beta-site APP cleaving enzyme-1,一种天冬氨酸蛋白酶,又称β-分泌酶)是生成Aβ的关键酶。因此,BACE1抑制剂有望成为缓解AD进展的药物,默克(Merck)旗下的Verubecestat(MK-8931)已完成1期临床,进入到3期临床中。最近,来自默克的科学家Matthew E. Kennedy等人撰文介绍Verubecestat在动物和AD患者中的表现。Verubecestat对人BACE1、BACE2都有强效抑制能力,而对其他酶或受体表现出选择性。数据表明动物长期给药Verubecestat并未发现明显毒副作用。在非老年健康人群中进行单一剂量Verubecestat和安慰剂的临床试验,服用安慰剂后36 h后,脑脊液中的Aβ40、Aβ42还有sAPPβ的浓度等都增加,而服用Verucecestat的Aβ40都大幅下降,550 mg的大剂量组甚至下降了93%。并且Verucecestat的药代动力学性质表现优异,服用后迅速达到在血浆和脑脊液中的分布平衡。在临床试验过程中,未发现严重的副作用,只有一名健康成年人在连续服用550 mg的大剂量Verubecestat后,出现了斑疹和荨麻疹。PK/PD数据表明,Verucecestat影响了所有三个APP代谢物,因此可以解释一种药物就可以发挥作用,而且半衰期长,一天给药一次就能维持有效浓度。与健康人群不同的是,AD患者大脑中已存在大量Aβ,有可能在短期内抵消BACE1抑制剂的作用。Verubecestat的安全性和有效性已得到证明,现在它作为第1个BACE1抑制剂进入两个三期临床试验。(七)来一套煎饼,哦不对……来一张COF膜Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201603945http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603945/fullSelective Molecular Sieving in Self-Standing Porous Covalent-Organic-Framework Membranes共价有机框架材料(Covalent-Organic Framework,COF)具有独特的有序多孔结构,是潜在的分离膜材料。最近,来自印度科学和工业研究理事会(CSIR)-国家化学实验室和科学与工业研究院的科学家们报道了一种简便的方法,可制备一系列连续、多孔、结晶的COF自支撑膜。他们将有机连接分子与反应分子共混,浇筑成膜后加热反应,整个过程类似“摊煎饼”,得到的COF自支撑膜具有更高的结晶度与孔隙率以及优异的长期稳定性。研究者们首先将联苯胺与对甲基苯磺酸在水中混合形成有机盐,再与1,3,5-三甲酰基间苯三酚混合,震荡均匀形成“面糊”;然后在干净的玻璃板上刮涂形成薄膜,再放置在烘箱中进行加热反应就得到了COF膜。如此“摊煎饼”得到的COF膜具有较高的结晶度,且连续无缺陷,在400 °C下依旧能保持较好的稳定性,连续的有序开孔结构也使其与其他类型的分离膜相比具有极高的比表面积,通过改变二胺的结构还能有效调控COF的孔径。随后,研究者还将COF膜用于废水处理以及从有机溶剂中回收活性药用成分。(八)给大鼠挠痒痒,挠出ScienceScience, DOI: 10.1126/science.aah5114http://science.sciencemag.org/content/354/6313/757Neural correlates of ticklishness in the rat somatosensory cortex有些人天生怕痒,别人稍微用指头挠一下就会引来尖叫连连。为什么有的人特别怕挠痒痒,而且一挠就又笑又跳的?这是个非常常见又很难解释的问题。直到最近,一项发表在Science上的研究找到了哺乳动物大脑中的“挠痒中心”,首次证明该区域的神经刺激会引发大鼠的“大笑”和“跳跃”。研究挠痒痒绝对不是科学家闲着没事儿干了,而是有重要的神经学和心理学原因:精神分裂症的一个重要症状就是能把自己挠笑了。挠痒痒还和我们笑、玩和感觉紧密相连。以前的研究表明大脑中多块区域调控着挠痒反应。体感皮层是其中一个区域,但它只负责感知挠痒痒的动作,但不会触发随之而来的大笑。而这篇Science文章证明了笑可以由神经刺激诱发,而不一定是传统认为的情绪控制。挠痒的效果和心情关系很大。为了证明大鼠在焦虑的状态下会对挠痒变得不那么敏感,研究人员把这些夜行动物放在灯光下照射(让它们焦虑不安)。果然,大鼠们对挠痒不敏感了,神经细胞的活动也有所减退,即便用电流刺激。该研究暗示,在生命体发育早期体感皮层的神经细胞与其他脑区形成了某种连接,它们共同协调了挠痒、大笑及识别陌生人的行为。这种连接形成于发育早期还能解释这样的现象:不管是人还是大鼠,如果它们幼时就不能被挠痒逗乐,长大了也不行。(九)两相催化剂,提升“人工光合系统”水分解性能Nature Mater., DOI: 10.1038/NMAT4794http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4794.htmlA multifunctional biphasic water splitting catalyst tailored for integration with high-performance semiconductor photoanodes美国能源部(DOE)所属的劳伦斯伯克利国家实验室Ian D. Sharp领导的科学家团队在Nature Materials发表论文,报道了一种新的钴基两相催化剂来催化水的氧化反应,取得了在半导体硅(Si)光阳极上迄今有报道的最高催化性能。首先作者通过一种等离子辅助原子层沉积技术在在p+-Si基底上沉积一层CoOx的催化剂。这种方法得到的催化剂是一层纳米尺度的薄膜。为了进一步的展现这种等离子辅助原子层沉积得到的Co(OH)2/Co3O4两相薄膜的优异性能,作者将催化剂薄膜沉积到常用的p+n-Si光阳极上。作者得到了迄今为止最高的光电催化氧化H2O的性能,同时催化剂在70小时的测试中并没有失活。(十)3纳米空间分辨率!厦门大学任斌团队Nature子刊发表TERS催化剂表征新突破Nature Nanotech., DOI: 10.1038/NNANO.2016.241http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.241.htmlProbing the electronic and catalytic properties of a bimetallic surface with 3 nm resolution近些年来,扫描探针显微镜与拉曼光谱联用的针尖增强拉曼光谱(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy,TERS),可以同时提供表面形貌与拉曼光谱信息,并可达到亚纳米级的空间分辨率,这使得科学家们可以在纳米尺度甚至原子尺度来表征催化剂表面结构与性质之间的关系。厦门大学任斌教授团队采用TERS技术成功地以3 nm的空间分辨率对Pd/Au(111)双金属催化剂表面进行成像,得到了该催化剂表面不同位点电子结构与催化活性之间的关系。此项成果证明了TERS可以在原子水平解析催化剂表面的结构与活性关系,有望发展成为多相催化的一种主要分析技术。未来TERS发展也面临挑战,科学家还需要努力提高TERS对基底及吸附物的普适性,即不限于Au或Ag金属以及芳环大分子。

有机合成一代宗师——K. C. Nicolaou教授

K. C. Nicolaou教授是当今世界天然产物全合成的领军人物,合成了许多复杂的明星分子,出版了许多经典论文和书籍,也培养了许多优秀的化学家弟子,堪称有机合成界的一代宗师。今年是K. C. Nicolaou教授的70大寿之年,X-MOL团队简要介绍他的经历和主要工作,以此向老先生致敬。K. C. Nicolaou教授。图片来源:Rice UniversityK. C. Nicolaou教授生平简介K. C. Nicolaou教授,全名Kyriacos Costa Nicolaou,1946年7月5日生于塞浦路斯卡拉瓦斯(Karavas, Cyprus),1972年于伦敦大学学院(University College London,UCL)取得博士学位后,先后在哥伦比亚大学T. J. Katz教授课题组、哈佛大学E. J. Corey教授课题组进行为期四年的博后研究。之后在宾夕法尼亚大学、加州大学圣地亚哥分校(UCSD)、斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute,TSRI)任职教授。2013年起,Nicolaou教授转到美国莱斯大学(Rice University)任职。在这些年里,Nicolaou教授培养了数以百计的优秀化学家,他们在多个国家的企业界及学术界任职,不少做出了相当杰出的贡献,老先生可以说是真正的“桃李满天下”。Nicolaou教授是世界著名的合成化学家与化学生物学家,被选为美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士、美国科学发展促进会会士、雅典科学院外籍院士等。Nicolaou教授的研究涉及化学、生物学和药学等多个方面。他在具有重要生物活性的天然产物全合成、新合成方法学在生物医药研发中应用等领域都有原创性和引领性的研究成果,向人们展示着有机合成的艺术性和分子设计的逻辑性相结合的魅力。Nicolaou教授曾经获得了非常非常多的化学领域奖项,列举几个主要的:2016年沃尔夫化学奖(Wolf Prize in Chemistry)、2005年阿瑟・C・科普奖(Arthur C. Cope Award)、2002年四面体奖(Tetrahedron Prize)、美国化学会奖(ACS Award)等等,可以说目前就差诺贝尔化学奖了,也许明年还有机会?K. C. Nicolaou教授生活照。图片来源:Rice UniversityK. C. Nicolaou教授的名字首字母缩写为K.C.N.,因此也被化学圈内人士开玩笑地称为“最毒”化学家(给懵圈读者的小提示:KCN是什么物质的分子式?)。不过,这个形容更多是表达对老先生的敬意,因为Nicolaou教授凭着他“毒辣”的眼光和合成策略,攻克了一个又一个复杂天然产物分子的全合成,例如两性霉素B(Amphotericin B)、西罗莫司(Sirolimus)、紫杉醇(Taxol)、万古霉素(Vancomycin)等等。K. C. Nicolaou教授的教育和工作经历1972年,K. C. Nicolaou教授在伦敦大学学院获得博士学位,师从F. Sondheimer和P. J. Garratt教授,期间主要工作是环状联烯与环状累积三烯的制备,以及用鹰爪豆碱sparteine进行不对称诱导的研究。在一篇自传性的综述里(Tetrahedron, 2003, 59, 6683-6738),Nicolaou教授回顾了他的教育经历以及工作后至2003年的全合成工作。K. C. Nicolaou教授博士期间的工作1972年至1973年,Nicolaou教授来到美国,在哥伦比亚大学师从T. J. Katz教授做博士后研究,主要研究内容是benzvalene化学。在哥伦比亚大学师从T. J. Katz教授期间的工作1973年至1976年,K. C. Nicolaou教授来到哈佛大学师从E. J. Corey教授作博士后。期间主要工作是前列腺素和大环内酯合成研究,还开发了用于构建大环内酯的Corey-Nicolaou反应即通过形成硫酯来活化羧基端进而构建大环内酯。多年后的E. J. Corey教授和K. C. Nicolaou教授在E. J. Corey教授组里的工作Corey-Nicolaou反应机理(J. Am. Chem. Soc., 1974, 96, 5614-5616)做完博士后之后,Nicolaou教授先后在宾夕法尼亚大学、加州大学圣地亚哥分校、斯克里普斯研究所担任教职,期间还担任斯克里普斯研究所化学系的主任。2013年起,Nicolaou教授转到美国莱斯大学(Rice University)任职,被聘为Harry C.和Olga K. Wiess讲座教授。K. C. Nicolaou教授的综述和著作K. C. Nicolaou教授发表了一千四百多篇的科研论文,其中有一些非常经典的有机合成化学展望以及重要反应在天然产物全合成中应用的综述,值得学习和推荐。1. "The Art and Science of Total Synthesis at the Dawn of the Twenty-First Century" Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 44-122这篇综述写于2000年,由K. C. Nicolaou教授及其弟子D. Vourloumis、N. Winssinger以及Phil S. Baran撰写,长达78页,回顾了整个天然产物全合成的发展史,并为新时期的天然产物全合成做出了展望,是有机合成化学人士必读的一篇综述。2. "Adventures in Carbohydrate Chemistry: New Synthetic Technologies, Chemical Synthesis, Molecular Design, and Chemical Biology" Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 1576-1624这是糖化学领域一篇很重要的综述,总结了糖化学新的合成技术、化学合成方法、分子设计及化学生物学相关研究。以下是几篇关于重要反应或者重要试剂在天然产物全合成中的应用的综述,推荐精读。3. "Constructing molecular complexity and diversity: total synthesis of natural products of biological and medicinal importance" Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 5185-5238在这篇综述里,K. C. Nicolaou教授简要介绍了他们课题组30多个分子的全合成,还列举了截至2012年世界上其他课题组对于一些主要复杂天然产物的全合成,读完这篇综述,近二十多年的优秀全合成工作基本都能了然于胸,推荐阅读。4. "The Diels–Alder Reaction in Total Synthesis" Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 1668-1698介绍DA反应在天然产物全合成中的应用。5. "Metathesis Reactions in Total Synthesis" Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4490-4527介绍复分解反应在天然产物全合成中的应用。6. "Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions in Total Synthesis" Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4442-4489介绍钯催化的交叉偶联反应在天然产物全合成中的应用。7. "Cascade Reactions in Total Synthesis" Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 7134-7186介绍串联反应在天然产物全合成中的应用。8. "The art of total synthesis through cascade reactions" Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 2993-3009这篇综述,通过若干个复杂天然产物的全合成过程讲述了串联反应的高效和化学之妙。9. "Samarium Diiodide Mediated Reactions in Total Synthesis" Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 7140-7165二碘化钐介导的反应在天然产物全合成中的应用。除了综述,K. C. Nicolaou教授也有许多经典的著作,首先就是三本Classics in Total Synthesis《全合成经典》,选取了一些复杂天然产物的明星分子,如马钱子碱、利血平、紫杉醇、万古霉素等等,从大的策略层面以及小的化学反应及立体化学控制等方面详细解读了这些分子的合成路线,是学习有机反应、鉴赏经典全合成的理想教材。Molecules That Changed The World则更侧重于科普,回顾了有机合成的发展,简要介绍了一些经典分子的发现、合成以及对人类生活的影响,这本书图文并茂,可以看到许多明星分子、化学大咖、经典反应,也是了解和学习有机合成化学的经典之作。此外,还有两本书,一本书是写于1984年的天然产物合成中的硒化学Selenium in Natural Products Synthesis。还有2002年的组合化学手册Handbook of Combinatorial Chemistry: Drugs, Catalysts, Materials。都是化学领域的经典之作,可以作为工具书来查阅学习。K. C. Nicolaou教授的方法学和天然产物全合成K. C. Nicolaou教授在天然产物全合成中发展了许多实用的有机合成方法学,包括用于构建大环内酯的Corey-Nicolaou反应、基于IBX和DMP的氧化反应和成环反应(CP分子合成)、硒诱导的关环反应、环醚化反应(Brevetoxins 的合成)、基于硫代糖苷的糖化反应等。K. C. Nicolaou教授合成了许多复杂天然产物,包括Endiandric acids、两性霉素B(Amphotericin B)、Calicheamicin γ1、Rapamycin、紫杉醇(Taxol)、Zaragozic acid、Brevetoxin B、Brevetoxin A、epothilones、eleutherobin、万古霉素(vancomycin)、CP-molecules、sanglifehrin、bisorbicillinoids、apoptolidin、coleophomones、diazonamide A、1-O-methyllateriflorone、azaspiracids、thiostrepton、bisanthraquinones、abyssomicins、marinomycins、platensimycin、uncialamycin、biyouyanagin、platencin、Cortistatin、Sprolide B、turbinamycin等。K. C. Nicolaou教授曾在Angew的人物专访中给出了他心目中top 5的文章,分别是Endiandric acid的仿生合成(J. Am. Chem. Soc., 1982, 104, 5560-5562)、Calicheamicin γ1的全合成(J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 10082-10084)、Taxol的全合成(Nature, 1994, 367, 630-634)、Brevetoxin B的全合成(J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 1173-1174)及CP分子的全合成(Angew. Chem. Int. Ed., 1999, 38, 1676-1678),我们后续的文章会简要介绍这些分子的合成策略。在文章和报告PPT中,K. C. Nicolaou教授还喜欢使用了彩色填充分子,不仅可以一目了然地看清楚复杂分子的化学结构,而且具有很强的艺术观赏性,向人们展示着有机合成的艺术性和分子设计的逻辑性相结合的魅力,这也成了Nicolaou教授的鲜明风格。K. C. Nicolaou教授:http://www.x-mol.com/university/faculty/1539Rice University课题组主页:http://nicolaou.rice.edu/2016年广州国际有机化学会议信息时间:2016年11月26 – 29日地点:广州,广东工业大学网址:http://icoc.csp.escience.cn点此阅读详细会议信息X-MOL有机领域学术讨论QQ群(450043083)

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