MIT科技评论发布2017年全球十大突破性技术榜单

图片来源:易网2月21日,《麻省理工科技评论》中国大陆地区独家运营方DeepTech深科技在北京发布2017年全球十大突破性技术榜单。榜单包括:(1)能使计算机在没有明确指导情况下像人一样自主学习的人工智能方法“强化学习”,可以让自动驾驶汽车等自动化领域进展大大提速(成熟期1—2年);(2)能更真实还原事件和场景的消费级“360°全景相机”,其廉价的摄影方式能改变人们分享故事的方式(现已成熟);(3)正在开发和批准进程中的基因疗法2.0,有望彻底治愈由单个基因突变导致的很多疾病(现已成熟);(4)描绘人体中各种细胞类型的全目录“细胞图谱”,为加速新药研发与试验提供超精确的人类生理学模型(成熟期5年);(5)可在高速路上自动驾驶的长途货车,能帮助货车司机更高效地完成运输任务,但也会导致货车司机因此失业(成熟期5—10年);(6)在网络交易等领域广泛使用的刷脸支付,提供了一种安全方便的支付方式,但也存在泄露隐私隐患(现已成熟);(7)可以让太阳能电池效率翻倍的太阳能热光伏电池,可能会催生出在日落后仍可工作的廉价太阳能发电技术(成熟期10—15年);(8)能够制造出稳定量子比特的实用性量子计算机,可运行人工智能程序及处理复杂的模拟和规划问题(成熟期4—5年);(9)可绕过神经系统损伤实现运动即治愈瘫痪的无线脑—体电子元件,有望帮助全球数百万人摆脱瘫痪的折磨(成熟期10—15年);(10)能造成大规模网络瘫痪的僵尸物联网,可感染并控制消费电子产品且破坏力越来越大(现已成熟)。http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-02/22/content_362685.htm?div=-1

春节特辑:2016年读者最爱文章Top 10

过去的一年里X-MOL刊登了很多有深度、有意思的文章,我们挑选其中读者阅读量最高的十篇科研论文解读和新闻事件分析,做为春节特辑,祝各位读者新春愉快!1. 放下那块肉!Nature 论文提示胡吃海喝毁三代图片来源:昵图网新春佳节,亲朋聚会,吃吃喝喝是少不了的,餐桌上的鸡鸭鱼肉当仁不让的唱起了主角。不过,Nature 上的一篇论文却毫不留情的提示,要少吃点肉,多吃点蔬菜,否者你的子孙都有可能会遭殃!斯坦福大学Justin L. Sonnenburg教授领导的研究团队以小鼠为实验模型,通过比较几代小鼠在不同的饮食模式下的肠道微生物群落,发现低膳食纤维饮食会使小鼠后代的肠道菌群持续下降。这一结果也暗示人类如果坚持食用低纤维食品,那么后代有可能也发生相同的事情。点击阅读详细2. Science 封面:纳米阵列“超级镜头”,哈佛大学的革命性突破图片来源:Science这种登上Science 封面的“超级镜头”(meta-lenses or metalenses),不是常见的相机镜头那种起源于19世纪的曲面透镜技术。美国哈佛大学的Federico Capasso教授团队使用高纵横比的二氧化钛纳米阵列构成“超表面(metasurfaces)”以控制其中光波相互作用的方式,得到了数值孔径(numerical aperture,NA)高达0.8的透镜,可在可见光谱范围内高效率工作,实现亚波长分辨率成像(subwavelength resolution imaging)。简单点说,就是一个比一张纸还要薄的透镜,可将图像放大170倍,而且图像质量还和当前世界上最先进的光学成像系统相当。点击阅读详细3. 2016诺贝尔化学奖:分子机器终折桂,CRISPR等明年再来?2016年诺贝尔化学奖于10月5日公布,三位化学家因设计和合成分子机器("for the design and synthesis of molecular machines")而获奖。他们是法国斯特拉斯堡大学(University of Strasbourg)的Jean-Pierre Sauvage、美国西北大学(Northwestern University)的Sir J. Fraser Stoddart、荷兰格罗宁根大学(University of Groningen)的Bernard L. Feringa。点击阅读详细4. MIT化学家“逆天”发明:除皱、保湿、去眼袋的皮肤材料麻省理工学院(MIT)大牛Robert Langer教授等人在Nature Materials 上发表了一篇文章,介绍了他们刚刚发明的一种新材料,这种材料宛如人的“第二层皮肤(second skin)”,能够很好地保护皮肤,使肌肤更紧致,让人瞬间恢复青春。而且,未来它或能被用于治疗湿疹或其他皮肤病,以及作为药物载体进行透皮给药。点击阅读详细5. 博士就业形势到底如何?《Science》文章评论区已炸……图片来源:f11photo/iStockphotoScience 杂志社有三十年经验的政府科学政策资深专家Jeffrey Mervis在Science 刊文,以“'Employment crisis' for new Ph.D.s is an illusion”为题抨击媒体误读数据,夸大博士就业形势的严峻程度。此文一出,在Science网站上就招来了众多吐槽,其中不少评论相当有内容,应读者要求,X-MOL对其进行整理编译,希望能为这一沉重话题带来更多解读的视角。点击阅读详细6. 太残暴,“石墨烯+橡皮泥”,玩出了篇ScienceColeman教授和他的儿子Oisín手里拿着G-putty。图片来源:AMBER/Trinity College Dublin因此,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。“我很愿意说,这一切都经过了周密的计划,但事实却非如此。”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。点击阅读详细7. Nature:吃货注意了,少吃或许能“冻龄”图片来源:网易来自荷兰鹿特丹大学的J. H. J. Hoeijmakers和国家公共健康和环境研究所的M. E. T. Dollé等科学家最近发表在Nature上的一篇文章表明,严格控制饮食能够延长早老综合征模型小鼠的寿命。与无限量供应食物的小鼠相比,减少摄入30%食物的小鼠寿命大为延长。不过鉴于人类群体极为丰富的遗传多样性和环境多样性,饮食控制要应用于保护正常衰老中的基因,还有很多临床试验要做。当然了,对有些人来说,不能尽情吃喝,活着有啥意思,囧~~点击阅读详细8. AI击败化学家?——Nature 封面文章报道机器学习方法,或掀起化学科研革命图片来源:Nature美国哈弗福德学院化学家Alexander J. Norquist、Sorelle A. Friedler和Joshua Schrier领导的研究小组的成果,可能会让化学家们开始担心来自AI的竞争。Norquist等人以Nature 封面文章的形式报道了一种强大的机器学习算法(machine-learning algorithm),通过使用失败实验的数据(当然也包括成功实验的数据)进行训练,在预测晶体制备策略的比赛中成功率高达89%,打败了经验丰富的人类化学家。点击阅读详细9. 向日葵为什么总是向着太阳?来听Science封面文章的解释图片来源:Science加州大学戴维斯分校Stacey L. Harmer教授研究小组用科学的实验解释了“向日葵为什么总是向着太阳”这一从达尔文时代开始就困扰人类的问题。他们的实验数据证明,向阳性有助于向日葵生长,向日葵夜间的运动是自身生物钟的主动调节而不是惯性反弹,向日葵自身的生理节奏指导其向阳性,而光照角度以及时长的确能够影响其运动。进一步研究发现茎干两侧的类生长素基因表达有巨大差异,对光和生理节奏有响应的基因控制着茎干两侧的不对等生长,而茎干的不对等生长对于向日葵的向阳性是必不可少的。最后,为什么成熟的向日葵会失去向阳性而是将其面盘固定地对着东方呢?东朝向的向日葵面盘在上午更容易受到阳光照射,而变的更温暖,从而更吸引传播花粉的昆虫们;而向西朝向的向日葵温度低,接触授粉昆虫的频率要低五倍左右。点击阅读详细10. 详解国内首篇有机Science,上海有机所刘国生团队碳氢键官能团化的新突破图片来源:Science最近十数年间,中国有机化学科研的发展可以用飞跃来形容。曾几何时,国内有机化学课题组的工作能发表在JACS 或Angew 上就算是激动人心的突破,而现在,这两个老牌知名期刊几乎每一期上都有来自中国的有机化学工作。不过,作为最顶级的科学期刊,Science却一直是国内众多有机课题组无法企及的高峰。可喜的是,中国科学院上海有机化学研究所的刘国生(Guosheng Liu)研究员课题组最近终于实现了零的突破,在Science 上报道了烷烃碳氢键不对称官能团化的新方法。他们通过发展金属催化的自由基接力新策略,成功地实现了铜催化苄位不对称自由基氰化反应,在室温条件下即可进行苄位sp3碳氢键[C(sp3)-H键]的活化,以最短的路线,高对映选择性地得到氰化产物——手性腈类化合物(一般底物都能达到90%~99%的ee值),而且反应底物适用范围非常广。点击阅读详细

过去的日子,感谢有您

时间过得飞快,丙申猴年马上就要过去,而丁酉鸡年已迫不及待的想要登场。过去的日子里,亲爱的读者朋友,您给我们带来了太多太多的收获与感动。无论是温暖人心的肯定和鼓励,不经意间流露出的支持和信任,还是专业细致、深刻犀利的建议、评论甚至批评,都让我们心存感激。一路行来并不容易,但有诸君相伴,X-MOL一定会继续尽心竭力,努力提供更多、更好、更及时的内容和服务。值此新春佳节之际,X-MOL团队祝您身体健康、阖家欢乐、万事如意!另外,X-MOL团队邀请了一些老师撰写了其专业领域的微综述,我们今天也将这些文章一并推出,以便读者朋友们更全面地了解这些领域的前沿进展,希望大家从中获得新的启发,在新的一年里有新的收获!

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ScienceScience, 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/

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