Angew:计算化学是灯,照亮结构解析的坑

又是一年毕业季,对于做天然产物分离纯化结构鉴定的小伙伴来说,最难言的苦衷,莫过于日日夜夜在实验室辛苦耕耘,收获了许多“纯品”化合物,却面对一大堆NMR波谱数据“夙夜忧叹”:二维谱上这些“大坑小坑”到底是谁连谁?纯品在手,解不出结构怎么办? 图片来源于网络 当然,感到郁闷的还有做天然产物结构修饰和全合成的小伙伴,按照文献上的结构合成出来的化合物,怎么波谱数据对不上呢?莫不是被做分离纯化的那帮人坑了?大家都是靠化合物结构混饭吃的同道中人,难免要发出“本是同根生,相煎何太急”的感慨。更郁闷的估计就是拿某化合物研究了好多药理活性,最后发现结构错了(相关阅读:药物结构错了?你可能申请了一个假专利……; 你是我的眼:NMR在结构确证中的应用策略)。 图片来源于网络 这个时候,遇到困难的小伙伴最需要的,不是心灵和胃口上的慰藉,而是跪求各类“大佬”带路,指点迷津,让“坑底之蛙”早日跳出结构解析的“连环坑”。 图片来源于网络 天然产物的结构为何容易错解?笔者认为有三点原因:(一)现有的波谱数据太少,对于含季碳较多的化合物(如不饱和度极高的生物碱),缺少关联信号进行解析;(二)采集到的波谱数据太多,造成碳氢谱以及二维谱信号大量重叠(如复杂萜类化合物),信号难以归属进行解析;(三)化合物立体结构复杂,含有若干手性中心(如立体笼状结构、桥环化合物),目前能够直接鉴定手性中心构型的技术手段非常有限。面对上述结构谜题,恰当运用计算化学也许能助小伙伴们一臂之力。本文就带大家来看一个经典案例。 美国丹佛大学的Andrei G. Kutateladze(点击查看介绍)、澳大利亚昆士兰大学的Elizabeth H. Krenske(点击查看介绍)和Craig M. Williams(点击查看介绍)三位教授所组成的研究团队(图1)近日在Angew. Chem. Int. Ed.发文,运用计算化学方法对文献中的一些含氧桥环结构(oxo-bridged,简称“氧桥”)类天然产物进行了结构解析和修正。 图1. Andrei G. Kutateladze教授(左)、Elizabeth H. Krenske教授(中)和Craig M. Williams教授(右)。图片来源:丹佛大学、亚昆士兰大学[1-3] 氧桥类天然产物含有氧取代的桥头碳(也称anti-Bredt结构,最初是由化学家Bredt定义)。含这类结构的天然产物在自然界中被大量地分离鉴定出来,且已报道的化合物往往具有不寻常的分子框架、成键基序和附加官能团,其结构的疑问也颇多。因此,对于计算化学研究来说,这类化合物是检验结构解析方法准确性的试金石。 在这类天然产物结构解析中,他们采用基于烯烃应变能(olefin strain energy, OSE)的计算方法来判断含桥头烯天然产物的稳定性,以此评估结构的合理性。之前的研究将桥头烯按照OSE的特征性范围分为3种类型,即可孤立(isolable)、可观察(observable)、不稳定(unstable)。他们通过分子力学力场(molecular mechanics forcefield)来计算OSE,并且证实查到的桥头烯天然产物都属于可孤立类型。随后,他们在推测若干化合物假定结构时,发现了一些结构存在疑问,比如化合物1(rosacedrenoic acid)和2(piperkadsin C)(图2),因为这些桥头烯被归入不稳定类型。以往这种分类方法在只含碳氢的桥头烯中表现很好,却没有应用到杂环类桥头烯(比如氧取代)上,所以,他们计划将基于OSE的鉴定方法应用到氧取代桥头烯中,并结合核磁NMR计算,以验证一系列含氧桥头烯结构是否正确。 图2. 化合物1和2的结构及OSE值. 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 首先,他们运用OPLS_2005力场(OPLS_2005 forcefield)设置,调试性计算16个双环氧桥烯(图3)。这些烯烃本身,或其母结构含有可孤立型桥头烯。其OSE的范围较宽(从-3.9到24.7 kcal mol-1)。其中,有5个化合物(5, 8, 10, 13, 17)是同系物,它们的氧桥和所有的碳结构造成OSE差距在1.2到4.5 kcal mol-1之间,因此无明显系统性变化。最紧张的孤立型桥头烯是17,其OSE为24.7 kcal mol-1,比18高3 kcal mol-1。OSE准确地预测出17和18是可孤立型的化合物。 图3. 调试性计算选择的含氧桥头烯(3-18)及OSE值。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 虽然,计算孤立型氧桥烯烃的OSE范围直接明了,但是Andrei G. Kutateladze教授等人发现,分析可观测或不稳定性结构就不那么清晰了。困难在于这两类氧桥烯烃更活泼,文献上少有关注,且从可观测到不稳定状态过渡的结构特点也研究甚少。于是,他们在计算中考虑了氧原子的存在对计算OSE值的影响,发现从可孤立型到可观测型再到不稳定型的过渡态OSE一般在20到30 kcal mol-1,OSE值超过30 kcal mol-1预示化合物属于不稳定型。 在此研究基础上,他们计算了文献中出现的11个氧桥天然产物(19到29,图4)。计算出OSE的范围从-13.9 kcal mol-1到32.1 kcal mol-1,只有hugonianene A(29)的OSE值超过30 kcal mol-1,被归入不稳定型。其余化合物的结构准确性都得到了验证。 图4. 化合物19到29的结构和OSE值。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 化合物29含有较高的OSE,结构极有可能解析有误。他们运用DU8+计算方法比较理论计算和实验测得的核磁化学位移和耦合常数,得出29的预测波谱数据与实验核磁数据不符,13C计算化学位移与实验值吻合度也很差,文献报道的29的结构很可能不对。 对29结构的重解析极具挑战性。最初,他们受到文献报道化合物hugonianene B(31)关联性启发,判断29可能是30的氧化加成产物,但是后者的耦合常数难以与29的实验值匹配。随后,他们探索了很多结构上的变化,如含有替代环系统的gurjunene(32)及其氧化产物33,都未能成功。回过头来分析,他们发现由于文献中的29没有高分辨质谱数据,其分子式的判断可能就不正确。且29的核磁碳信号不支持多重氧化(低场信号不足),故将其化学式修正为C16H26O(从氧原子从2减为1)。再考虑到关联化合物gurjunene的特点。他们运用DU8+分析推测,4-patchoulene-6α-ol的甲醚产物34可能是正确结构。34的计算13C化学位移和耦合常数与29吻合得很好,所以,hugonianene A(29)的结构更正为34。然而29和34的旋光值是相反的,因此34进一步更正为原结构的对映异构体。他们再用相似的研究思路去分析31,得出31的结构应该更正为35。后者在核磁波谱数据上与实验值更相吻合(图5)。 图5. 化合物29-35的结构及数据吻合度。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. Andrei G. Kutateladze教授等人用DU8+回过头来计算化合物19-29,发现这些可孤立型化合物中,21和28的结构依然有错误解析的可能性。 对于化合物21,DU8+预测在7α位羟基存在H-H耦合,实验谱中却没有,如果C7取代基转为β取向,13C预测值和实验值似乎更吻合。基于上述分析,他们将21的结构更正为36,随后的生源合成理论分析也更支持后者,因为烯醇攻击E-式烯烃会派生出环氧结构(图6)。 图6. 化合物21更正为36及数据吻合度。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 对于Cytisus单萜28,通过生源分析发现,它可能来源于化合物chakyunglupulin A(37)或B(39),八环化合物39可能是备选结构。然而,计算化学位移与实测化学位移还是匹配得不理想。这时,28结构中一个酮基化学位移(δc 183.5 ppm)提供了重要线索,因为这个化学位移可能是α,β不饱和内酯的标志。沿着这个思路,在DU8+计算基础上,28被更正为含有五元不饱和内酯环的loliolide(40),旋光计算值判断出40的绝对构型(图 7)。 图7. 化合物28结构更正为40,及相关化合物37-38。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 作者乘胜追击,利用OSE/DU8+方法更正了叶内酯folenolide(41)的结构。原结构41带有一个anti-Bredt烯,计算OSE高达39.6 kcal mol-1,数值偏高,结构可疑。结合文献报道,41所来源的植物也分离出了莽草酸化合物42。再将相关数据一比对,答案出来了:41的真正结构就是莽草酸42。解来解去,其实结构没有想象的那么复杂(图 8)。 图8. 化合物41结构更正为42。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 这项工作讲到这里就结束了。希望对各位坑里坑外的小伙伴们有所启发,找到适合自己的方法,早日确定正确的结构,发篇好文章,从此走上人生巅峰。 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): Reassignments and Corroborations of Oxo-Bridged Natural Products Directed by OSE and DU8+ NMR Computation Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7107-7112, DOI: 10.1002/anie.201902777 导师介绍 Andrei G. Kutateladze https://www.x-mol.com/university/faculty/56117 Elizabeth H. Krenske https://www.x-mol.com/university/faculty/29249 Craig M. Williams https://www.x-mol.com/university/faculty/29255 参考资料: 1.https://chemistry.du.edu/about/faculty-directory/andrei-kutateladze 2.https://scmb.uq.edu.au/profile/999/elizabeth-krenske 3.http://archive.scmb.uq.edu.au/homepages/williams/contact.htm (本文由水村山郭供稿)

来源: X-MOL 2019-06-24

激光诱导金纳米颗粒形变前后催化活性差异研究

基于纳米颗粒为催化剂的多相催化在许多化学反应过程,包括有机合成、污染物的清除和能源生产过程中都扮演着重要的角色。在这些多样的纳米结构中,金属纳米颗粒因为其较高的比表面积和化学电势而具有较好的催化性能,这使得其成为多相催化中重要的催化剂之一。对于多相催化而言,颗粒的形貌在单颗粒催化动力学的研究中扮演着重要的角色。由于颗粒形貌在单颗粒水平的调制仍然具有重大的挑战,目前针对颗粒形貌变化前后的催化性能研究还较为缺乏。 基于此,南开大学的肖乐辉研究员(点击查看介绍)团队利用激光加热对颗粒形貌进行了原位调控。通过暗场散射成像,散射光谱及扫描电镜表征,证明球形的金纳米颗粒在激光加热过程中形变成棒状纳米颗粒。随后,以Amplex Red被金颗粒催化的氧化反应为模型,在单颗粒水平上研究了金纳米颗粒在形变前后的催化活性变化。研究发现,在形变之后,颗粒的催化性能明显减弱,这可能归因于颗粒在激光加热调控过程中,颗粒表面原子发生重排,形成更加致密整齐的晶格,同时表面能降低。在单颗粒催化的研究过程中还发现,颗粒在变化前后均表现出较大的活性波动,表明随机的表面重建行为。这些动力学研究对基于纳米颗粒的异质催化剂的开发具有重要的参考意义。 图1 激光加热调控金纳米颗粒形貌及其单颗粒催化原理图。 相关成果近期发表在Chemical Science上。 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): Laser Illumination-Induced Dramatic Catalytic Activity Change on Au Nanospheres Zhongju Ye, Lin Wei, Lehui Xiao*, Jianfang Wang Chem. Sci., 2019, 10, 5793-5800, DOI: 10.1039/C9SC01666J 导师介绍 肖乐辉,男,南开大学化学学院研究员,博士生导师。主要围绕分子识别、动态示踪以及时空分辨测量在单分子、单颗粒层面开展研究工作。发展了具有单分子灵敏度的单颗粒显微测量技术用于疾病关联标志物的化学测量,开发了单颗粒三维取向测量显微成像技术用于纳米载体颗粒与磷脂膜相互作用动态观察,实现了纳米尺度化学反应过程的时空分辨测量。发表一作及通讯SIC论文60余篇,包括 J. Am. Chem. Soc. (1篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (3篇)、Chem. Sci. (3篇)以及Anal. Chem. (20篇)。2013年先后获湖南省科技厅杰出青年科学基金以及教育部新世纪优秀人才支持计划资助;2015年获国家自然科学基金优秀青年科学基金资助,霍英东青年教师奖;2016年入选南开大学百名青年学科带头人培养计划。目前担任《中国化学快报》青年编委。 课题组网址: www.xiaolhlab.cn   https://www.x-mol.com/groups/xiaolab2016

来源: X-MOL 2019-06-24

聚集诱导发光效应的高效深红/近红外染料在生物活体成像上的应用

荧光成像技术依赖于荧光染料的发光,开拓了实时跟踪和观察生物体内的特定的生物过程和复杂分子事件的渠道。高效的深红/近红外荧光探针(发射波长> 650 nm),能够很大程度上克服生物底物的生物吸收、光学散射和自发荧光的干扰。常见的荧光探针,主要包括荧光蛋白、无机量子点和有机染料。但是荧光蛋白不太稳定,容易被生物体内的酶分解,而无机量子点存在潜在的生物毒性和荧光闪烁的问题。有机荧光染料可以尽可能的避免上述问题,但是,它的聚集态的形成通常会导致聚集引起荧光淬灭(ACQ)的问题。 聚集诱导发光(AIE)现象的发现,解决了很多ACQ的问题。迄今为止,已经有很多蓝光和绿光的AIE分子,为了不同的目的被设计和合成出来。然而,它们因其较短的激发和发射波长,并不适合于生物活体成像。 近年来,苯并噻二唑(BTD)基团作为重要的电子受体,广泛应用于设计红光和近红外的发光材料。简单的将BTD分子结构中的硫原子替换成硒原子,就能够获得拥有更高极性的苯并硒二唑(BSD)官能团。它将更加有利于促进分子内的电荷转移,获得更加红的吸收和发射,从而开启生物研究的光学窗口(>650 nm)。一些含有BSD官能团的发光衍生物已经在细胞成像和离子检测方面应用。但是,具有聚集诱导发光的含硒深红/近红外染料在活体生物成像方面的应用却尚未见报道。为了丰富聚集诱导发光的深红/近红外探针的种类,探索它们在生物成像领域方面的应用,浙江大学钱骏教授(点击查看介绍)和香港科技大学唐本忠院士(点击查看介绍)研究团队设计和合成了聚集诱导发光效应的含硒深红/近红外染料TTSe。这种含硒深红/近红外染料能够方便的制作成聚集诱导发光性质的纳米颗粒,这些纳米颗粒表现出高的亮度、大的斯托克斯位移、良好的生物兼容性和光稳定性的特征。 前哨淋巴结的精确定位对于癌症的诊断和治疗有着非常重要的指导意义。与先前使用无机量子点作为荧光探针不同,研究团队使用TTSe纳米颗粒作为荧光探针,用于小鼠前哨淋巴节定位。在注射TTSe纳米颗粒以后,荧光信号20分钟内迅速增强,45分钟达到最大值,荧光信号增强近25倍,表现出高的成像信噪比。荧光信号60分钟后迅速下降,24小时后几乎完全消失。 为了理解常见的脑部血管疾病过程,TTSe纳米颗粒用作荧光探针观察活体小鼠脑部血管。通过双光子成像技术,在注射TTSe纳米颗粒30分钟后,即可通过荧光信号观察小鼠脑部血管的情况,获得不同深度的高清晰度脑部血管荧光图片。通过计算机重建,获得了活体小鼠的3D脑部血管成像图的总体空间信息,这包含了主要血管系统和毛细血管的细节信息。TTSe纳米探针使用双光子成像技术,成功的实现了活体小鼠脑部血管成像,表现出高对比度和高穿透深度的特性。现在的研究成果为开发聚集诱导发光的深红/近红外染料提供了一个新的创新平台。 这一研究工作近期发表在Chemical Communications 上,文章的第一作者是香港科技大学秦玮博士和浙江大学努尔尼沙•阿力甫博士。通讯作者为浙江大学钱骏教授和香港科技大学唐本忠院士。该工作获得国家自然科学基金(51622305, 21788102, 21490570, 21490574,51873092),香港大学资助委员会(AoE/P-03/08),香港研究资助局 (16308016, C6009-17G, N-HKUST604/14, A-HKUST605/16),创新技术委员会 (ITC-CNERC14SC01, ITCPD/17-9, ITS/254/17) ,国家基础研究项目(2015CB856503)和深圳市科技计划(JCYJ20160229205601482, JCY20170818113602462)等项目资助。 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): Synthesis of an efficient far-red/near-infrared luminogen with AIE characteristics for in vivo bioimaging applications Wei Qin, Nuernisha Alifu, Yuanjing Cai, Jacky W. Y. Lam, Xuewen He, Huifang Su, Pengfei Zhang, Jun Qian, Ben Zhong Tang Chem. Commun., 2019, 55, 5615-5618, DOI: 10.1039/C9CC02238D 导师介绍 钱骏 https://www.x-mol.com/university/faculty/48486 唐本忠 https://www.x-mol.com/university/faculty/49585

来源: X-MOL 2019-06-24

Batteries & Supercaps:锌-空气电池的电催化材料的研究进展

为实现可持续发展,世界各国正积极推动能源结构从不可再生的化石燃料向可再生清洁能源的转变。这一过程对新型能量转化和存储材料及器件的发展提出了更高的要求。锌-空气电池具有能量密度高(1350 W h kg−1)、安全性好、制备成本低(<10 $ kW−1 h−1)等优势,近年来受到广泛关注。然而,该电池的空气电极通常存在可逆氧还原(Oxygen reduction reaction, ORR)/析氧反应(Oxygen evolution reaction, OER)过程缓慢的问题,导致锌-空气电池的能量效率较低(<65%),是制约其商业化应用的重要因素之一。开发具有高催化活性和良好稳定性的高性能ORR/OER双功能催化剂有利于提高锌-空气电池的性能并推动其商业应用。碳纳米材料通常具有比表面积高、导电性强、化学稳定性好、孔结构可调、制备成本低等特点,可通过各种物理、化学手段对其电子结构实现精准调控从而获得优异的ORR/OER催化性能。 近日,澳大利亚伍伦贡大学的梁骥博士受邀,与广州中国科学院先进技术研究所的闫啸副研究员合作在Batteries & Supercaps 杂志发表题为“Recent Advances in Carbon-based Bifunctional Oxygen Catalysts for Zinc-Air Batteries”的综述文章。该文章系统总结了近年来高性能碳基ORR/OER催化材料在锌-空气电池领域的最新研究成果。首先,文章简述了ORR/OER的反应机理,指出通过合理手段调控催化剂的表面形貌和电子结构可获得具有ORR/OER活性的催化材料。进而,结合近年来的代表性工作成果,系统介绍了碳基ORR/OER催化材料的制备和调控策略,包括异原子掺杂、引入本征缺陷、与其他活性材料(金属、金属化合物)复合等,并指出不同活性位可产生协同效应,提高催化活性和电池性能。 最后,作者对基于碳材料的ORR/OER催化剂的性能进行了归纳和对比,并在综述的总结和展望部分介绍了当前研究中亟待解决的问题和可行的解决方案,例如应规范催化性能测试方法以更好地评价材料的本征性能,如何结合计算机模拟技术和先进的表征手段深入探索真实催化过程和分子机理,进一步优化催化剂测试方法以真实反映实际复杂环境等。作者希望该综述可为相关研究人员及时提供锌-空气电池高性能催化剂领域的最新进展,并为后续的研究工作提供思路。 相关论文发表在Batteries & Supercaps,澳大利亚伍伦贡大学的博士研究生Daolan Liu和Yueyu Tong为共同第一作者。 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): Recent Advances in Carbon-Based Bifunctional Oxygen Catalysts for Zinc-Air Batteries Daolan Liu, Yueyu Tong, Xiao Yan, Ji Liang, Shi X. Dou Batteries & Supercaps, 2019, DOI: 10.1002/batt.201900052 (本稿件来自Wiley)

来源: X-MOL 2019-06-24

间位碳硼烷配体构筑的稳定金属自由基

金属自由基化合物具有独特的磁性和氧化还原特性,但是因其高的反应活性很难分离和表征。而碳硼烷(C2B10H12)具有较大空间位阻和独特的电子效应,可以作为过渡金属的配体,与金属中心形成C-M、B-M或B-H••M的相互作用。因此利用碳硼烷与过渡金属结合是否能够形成稳定的自由基化合物一直是一个挑战。 最近复旦大学金国新老师(点击查看介绍)课题组报道了利用间位碳硼烷硫酰胺配体与半夹心铱化合物形成稳定的金属自由基的合成策略。作者首先利用碳硼烷硫酰胺配体与[Cp*IrCl2]2反应形成化合物2,随后对化合物2的反应性能进行了探究(Scheme 1)。有趣的是,氢气分子能够诱导化合物2和金属自由基化合物5•的转换。通过气相色谱、核磁、电子顺磁共振对这一过程进行了验证,而且DFT计算也佐证了这个结果。 Scheme 1. 化合物2的反应特性。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 为了进一步探究双核化合物6是否也能够通过得失电子来实现合成金属自由基的策略。作者首先测试了化合物6的循环伏安曲线,发现有两组氧化还原峰,说明化合物6能够发生单电子或者双电子的氧化还原反应。然而有效的控制单电子氧化是比较困难的。通过碘单质的引入,化合物6失去一个电子变成混合价态的Ir(III,IV)化合物7•+(Scheme 2)。通过理论计算表明混合价态的化合物7•+中单电子是完全离域的,形成了一个四中心-单电子(S-Ir-S-Ir)的相互作用。电子顺磁共振,紫外,X射线光电子能谱也很好的验证了这一点。因为化合物7•+在近红外区有吸收(混合价态间的电荷转移),作者还研究了其光热成像的潜力。 Scheme 2. 混合价态化合物7•+的合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 该研究不仅提供了一种利用碳硼烷骨架合成金属自由基的策略,而且还预示着也许能够利用碳硼烷独特的空间和电子效应来稳定更多的自由基化合物。 这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,文章的第一作者是复旦大学博士研究生崔朋飞。 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): Metalloradicals Supported by a meta-Carborane Ligand Peng-Fei Cui, Yang Gao, Shu-Ting Guo, Yue-Jian Lin, Zhen-Hua Li, Guo-Xin Jin* Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 8129–8133, DOI: 10.1002/anie.201903467 团队介绍 金国新教授:博士生导师,1987年在南京大学获理学博士学位。1988年享德国洪堡博士后研究奖作博士后两年,后任研究助理。1996年应聘到中科院长春应用化学研究所,任研究员、博导,曾任研究室主任。1998年德国马普基金访问教授;1999年日本名古屋大学客座教授;2000年日本大阪大学JSPS访问教授。2001年初到复旦大学工作,9月获教育部“长江奖励计划”资助,现为复旦大学化学系特聘教授,兼任《Dalton Transactions》副主编、Coordination Chemistry Reviews编委,中国化学会配位催化委员会、应用化学委员会学术委员等职。金国新课题组长期关注于有机金属化学领域,尤其是有机金属框架化合物,碳硼烷化合物和聚烯烃催化领域。 https://www.x-mol.com/university/faculty/9632

来源: X-MOL 2019-06-24

西南科技大学何毅课题组在可视化检测爆炸物领域取得重要进展

公共安全关系到每个人的生命安危。爆炸物爆炸是威胁公共安全最严重的方式之一。因此,对爆炸物进行快速现场检测在防范公共安全风险、刑事侦查与反恐领域均具有极其重要的现实意义。然而现有的仪器分析手段,难以实现爆炸物的现场可视化检测。 针对这一瓶颈问题,西南科技大学国防科技学院何毅研究员课题组致力于开发简便可靠的爆炸物比色可视化分析方法,期望用于实际环境中的爆炸物现场定性鉴别与痕量检测。在先前的工作中,他们利用基于点击化学反应与金纳米,构建了针对聚叠氮缩水甘油醚爆炸物的高灵敏度可视化比色检测方法(Chem. Commun., 2015, 51, 12092)。另外,他们还采用皮克林乳液模拟细胞器,巧妙地将爆炸物碱性水解反应与小分子底物酸性生色反应串联,实现了同一反应容器中的酸碱反应同时发生,最终实现了对黑索金(RDX)和奥克托今(HMX)爆炸物的可视化检测(Anal. Chem., 2018, 90, 11665)。 最近,该课题组发现蓝光LED可以直接诱导邻苯二胺(OPD)的自催化氧化,产生黄色的2,3-二氨基吩嗪。其反应机理为激发态的2,3-二氨基吩嗪与溶解氧之间的能量共振转移,产生具有强氧化性的单线态氧(1O2),加速OPD的氧化。OPD的自催化氧化反应可以通过溶液的pH及光照时间予以调控。此外,研究表明,三氨基三硝基苯(TATB)爆炸物能进一步增强OPD的自催化氧化反应,缩短生色反应的时间。增强机理主要归因于TATB爆炸物独特的层状结构,抑制了2,3-二氨基吩嗪分子间的π-π堆积作用,从而促进1O2的产生。在此基础上,建立了一种动态范围可调的TATB爆炸物比色可视化检测新方法,检出限低至2.7 nM。当TATB爆炸物浓度超过60 nM时,通过肉眼观察即可判断TATB爆炸物的存在,成功实现了对TATB爆炸物的高灵敏度、高选择性、可视化检测。 图1. TATB爆炸物的可视化分析原理示意图 该工作发表在Analytical Chemistry上。 此项研究得到了国家自然科学基金、西南科技大学龙山学术人才科研支持计划的资助。 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): Direct Blue Light-Induced Autocatalytic Oxidation of o‑Phenylenediamine for Highly Sensitive Visual Detection of Triaminotrinitrobenzene Jinhu Wang, Hua Li, Yanhua Cai, Dunju Wang, Liang Bian, Faqin Dong, Haili Yu, Yi He Anal. Chem., 2019, 91, 6155-6161, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b00759 何毅课题组主页 http://homepage.swust.edu.cn/yhe2014 相关文章链接: 1.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/CC/C5CC04571A#!divAbstract The highly sensitive and facile colorimetric detection of the glycidyl azide polymer based on propargylamine functionalized gold nanoparticles using click chemistry Chem. Commun., 2015, 51, 12092-12094.   2.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.8b03331 Compartmentalizing Incompatible Tandem Reactions in Pickering Emulsions To Enable Visual Colorimetric Detection of Nitramine Explosives Using a Smartphone Anal. Chem., 2018, 90, 11665-11670. 3.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.9b00759 Direct Blue Light-Induced Autocatalytic Oxidation of o-Phenylenediamine for Highly Sensitive Visual Detection of Triaminotrinitrobenzene Anal. Chem., 2019, 91, 6155-6161.

来源: X-MOL 2019-06-24

中科大朱彦武课题组:使用原位方法探索锂离子在单层石墨烯上的存储机制

高比表面积碳材料由于其超高的储锂容量而作为高性能锂离子电池负极材料一直备受关注。目前对这类碳材料的锂离子存储机制仍然缺乏全面清晰的认知。中国科学技术大学朱彦武教授(点击查看介绍)课题组以碳材料的基本结构单元——单层石墨烯作为研究对象,利用原位拉曼光谱和傅里叶变换红红外光谱探究了单层石墨烯电极/电解质界面在电化学循环中的演变过程。通过理解单层石墨烯的锂离子存储机制,为继续深入探索碳-锂作用行为提供了基础,同时为高比表面碳材料的高储锂容量和低首次库伦效率提供了解释。 图1. 原位电化学测试装置示意图。图片来源:Adv. Mater. 研究人员利用湿化学法将单层石墨烯转移至CaF2衬底,组装得到具有良好密封性和测试稳定性的原位测试装置,实现电化学反应过程中单层石墨烯/电解质界面演变过程的实时监测。 图2. 电化学循环过程中单层石墨烯/电解质界面的原位FTIR光谱分析。图片来源:Adv. Mater. 研究人员利用原位FTIR光谱对单层石墨烯/电解质界面的演变进行了初步研究。结合同步进行的电化学测试循环伏安法(CV)曲线,研究人员发现首次锂化过程中的电解质分子的聚集和分解形成固体电解质界面层(SEI)的过程是单层石墨烯/电解质界面的主要变化,SEI层在后续循环中逐渐稳定,且离子嵌入过程具有较强的不可逆性。 图3. 电化学循环过程中单层石墨烯的原位拉曼光谱分析。图片来源:Adv. Mater. 随后,研究人员利用原位拉曼光谱对电化学过程中的石墨烯结构变化进行了分析。在锂化过程中,G峰先蓝移再红移,最后在锂化终点(0.001 V)处消失;同时,2D峰红移并且强度降低,最后在1.5 V以下变得不再可见。在去锂化过程中,D峰和D’峰的强度逐渐增加,同时G峰位置基本不变。结合D、G、D’、2D峰FWHM随锂化/去锂化电势的变化,在电化学循环过程中,单层石墨烯的无序化程度和缺陷化程度逐渐增加,并且缺陷化主要发生在去锂化的过程中。 图4. 经过电化学循环过程后单层石墨烯的SEM和TEM表征。图片来源:Adv. Mater. 结合SEM和TEM进一步研究单层石墨烯表面的形态和结构变化。结果显示在石墨烯上有百纳米厚度SEI层的出现,其中由无定形的多孔结构和相对致密的晶粒组成,晶粒的结构可归为LiF、Li2O等含锂复合物以及金属性锂的可能存在。 图5. DFT模拟与计算结果。图片来源:Adv. Mater. 此外,理论计算结果表明,随着锂原子吸附个数的增加,打破碳碳键形成Stone-Wales(SW)点缺陷的反应势垒和缺陷形成能都显著降低,同时空位缺陷和拓扑缺陷可以显著增强锂的吸附能力。因此,在电化学循环过程中石墨烯中锂吸附和缺陷形成彼此促进,形成锂吸附和碳结构缺陷化的“雪崩效应”。单层石墨烯表面锂吸附可能以多层密堆锂结构进行吸附,锂与石墨烯之间的电荷转移主要发生在接触层,并且锂在第三层以后逐渐表现为金属性电子特征。 图6. 单层石墨烯储锂机制示意图。图片来源:Adv. Mater. 基于以上研究,研究人员提出在单层石墨烯锂化过程中,主要伴随三个方面的现象:1、锂的沉积诱导石墨烯中缺陷的形成,这些缺陷进而促进沉积;2、溶剂分子在石墨烯电极表面吸附、聚集,进而被还原,形成固体电解质界面(SEI)的部分成分;3、锂的多层沉积可能会形成位于SEI和石墨烯之间的致密金属性锂层。根据电化学测试结果,单层石墨烯上SEI的形成大约消耗首次储锂~40%的电荷,解释了一般文献中低于60%的首次库伦效率。如果把可逆锂存储量仅对单层石墨烯质量进行归一化,可得到极高的比容量数值(首次~28000 mAh/g, 20次循环后仍有2700 mAh/g),该容量和石墨烯表面锂的可逆吸附、SEI中的活性成分以及金属性锂沉积相关。 结语 该研究针对单层石墨烯的电化学循环过程进行了原位拉曼光谱和FTIR光谱分析,结合DFT模拟与计算,探索了单层石墨烯的储锂机制,研究了电化学循环过程中锂离子电池石墨烯负极的结构缺陷化衍化过程,提出纳米结构碳材料的超高容量来源于SEI层形成以及缺陷形成与捕捉效应对锂的消耗以及碳表面多层金属性锂的密堆结构,为高比表面碳负极材料的高容量来源和储锂机制提供了新的见解。 这一工作近期发表在Adv. Mater. 上,文章的第一作者是中国科学技术大学博士生倪堃和研究生王向阳。 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): In Operando Probing of Lithium‐Ion Storage on Single‐Layer Graphene Kun Ni, Xiangyang Wang, Zhuchen Tao, Jing Yang, Na Shu, Jianglin Ye, Fei Pan, Jian Xie, Ziqi Tan, Xuemei Sun, Jie Liu, Zhikai Qi, Yanxia Chen, Xiaojun Wu, Yanwu Zhu Adv. Mater., 2019, 31, 1808091, DOI: 10.1002/adma.201808091 朱彦武教授课题组简介 朱彦武教授课题组现有研究人员16人,包括博士研究生7名,硕士研究生9名。目前课题组依托合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院能量转换材料重点实验室等平台进行研究,研究方向集中于新型碳材料的制备与表征以及碳材料应用基础研究,重点关注新型碳晶体和碳基组合体的制备及其在能量转换与存储中的应用和相关的分子-离子-电子-光子界面等基础科学问题。 朱彦武教授简介 朱彦武,中国科学技术大学教授,博士生导师。入选中组部 “青年千人计划”和教育部“新世纪优秀人才”,获基金委“优秀青年基金”支持。在Science, Adv. Mater.等学术刊物发表论文超过120篇,共被引用20000余次。获2016年IUMRS-MRSS青年科学家奖和2017年APEC科学创新研究与教育奖,入选2018年科睿唯安“高被引科学家”名单。 https://www.x-mol.com/university/faculty/38298

来源: X-MOL 2019-06-24

南京理工大学功能有机材料课题组诚聘各类优秀人才 年薪23-32万

招聘岗位和薪酬待遇 1)副教授:基础年薪约32万元(包含五险一金的自交部分,税前),学校给与15万元启动经费,39万元安家费。以负责人身份获批国家级、省级科研项目,以及发表sci论文,学校会给与额外年终奖。可以优惠价格租住学校过渡房(两室一厅),解决子女入托。副教授应聘者一般应有国内著名大学或海外大学博士后工作经历,且年龄不超过35岁。学术成果特别优秀者可申请校内青年教授计划,年薪提高至35万元税前。 2)讲师:基础年薪约23万元(包含五险一金的自交部分,税前),启动经费5万元,26万元安家费。其他待遇(科研奖励、过渡房、子女入托等)与副教授一致。讲师应聘者一般应有国内外著名大学博士学位(2019年毕业的应届生也可),年龄不超35岁。学术成果特别优秀者可申请校内青年教授计划,年薪提高至35万元税前。 3)博士后:基础年薪约20万(包含五险一金的自交部分,税前),入选“国家博新计划”者年薪提高至30万元,学校和团队根据在站期间的工作成果另外提供奖励(例如,第一作者nature、science学校奖励50万元,第一作者nature comm, jacs, angew, adv mater等课题组奖励5万元)。年龄不超32岁。出站考核特别优秀者,学校可直接聘为事业编制教师。 申请方式 1)应聘中将详细个人简历发送至:zhangggen@njust.edu.cn,邮件标题请注明“应聘岗位-姓名”。 2)本招聘长期有效。 合作导师简介 张根,教授,博士生导师,入选第15批国家“千人计划”青年项目。2008年本科毕业于兰州大学;2013年博士毕业于兰州大学,师从中国工程院院士王锐教授;2013至2015年,在英国曼侧斯特大学从事博士后研究,合作导师为David Leigh院士;2016至2018年,在日本京都大学从事JSPS研究,合作导师为Susumu Kitagawa(北川进)教授。 张根教授长期致力于有机合成和功能有机多孔材料的研发,以及在新能源、催化,环境以及器件等方面的应用研究。至今已发表SCI论文总数25篇,他引1000余次,其中第一及通讯作者SCI论文12篇,包括J. Am. Chem. Soc. 6篇,Angew. Chem. Int. Ed. 1篇,Chem. Sci. 1篇等。授权中国专利1项。 课题组依托南京理工大学软化学与功能材料教育部重点实验室,具有十分优越的研究条件和充足的研究经费。课题组与国内外众多知名科研机构建有长期、稳定的合作关系,表现优秀者可推荐出国进一步深造。

来源: X-MOL 2019-06-24

从此,“搬砖”将成为历史

有机化学是最重要的基础学科之一,是制造物质的核心工具,是环境、材料、农业、生物和医药领域发展的根本要素。正如Phil Baran所说,“没有有机化学,我们大部分人会无家可归、挨饿或者死亡”,“它允许你扮演‘上帝’的角色,可以创造从未存在过的新物质”。 然而,由于有机化学的研究经常需要进行漫长的盲筛,许多“进展”都是一次又一次的“意外”发现,所以常有人嘲讽,有机化学是一门“体力”化学,教授一般都觉得自己做的是科学,而学生却普遍自嘲自己干的是“搬砖”。但是,回顾有机化学的发展进程,我不由得对前辈科学家肃然起敬,正是因为他们的艰苦探索,才造就了今日有机化学的辉煌成就。 对于一个发展不完善的学科,大量的筛选摸索是不可避免的。刚上大学时老师就告诉我,科研要经历99次失败才有1次成功。那么,有没有什么办法能让别人去经历那99次失败,由我来享受那1次的成功呢?这,是我学生时代的梦想。当然,这里的“别人”,不是指隔壁通风橱的那个倒霉师弟,而是机器人,更准确的说,是自动化。 在大多数人的印象里,化学实验室一般是这样的: 图片来源:UNIVERSEUM 或者是这样的: 图片来源:Benchtop Thoughts 可是,未来的实验室可能是这样的: 图片来源:ChemistryWorld 也可能是这样的: 图片来源:Nature 可以断言,现代有机化学的发展方向必然是自动化。 自动化的终极目标是建立无人实验室,彻底解放双手,概念非常诱人,一旦实现,必将对传统科研模式形成摧枯拉朽的冲击力,从此,“搬砖”将写进史书。目前,化学合成的自动化体系主要是基于连续流动和智能机器人技术而设计,其中连续流动技术的代表性报道有Martin Burke教授的block-by-block合成机器(Science, 2015, 347, 1221, 点击阅读详细)(下图A)、Pfizer的流动化学系统(Science, 2018, 359, 429, 点击阅读详细)(下图B),以及Leroy Cronin教授的Chemputer(Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav2211)。 图片来源:Science Cronin教授的Chemputer。图片来源:Cronin Group 而以Andy Cooper教授的Robotic Chemists(下图)为代表的智能机器人也在有机合成领域掀起了一阵狂风。 图片来源:Nature 化合物的合成路径设计以前一直都依赖于经验丰富的化学家,对化学知识和实验经验要求很高,而利用人工智能,尤其是机器学习技术,可以分析已知的化学反应,学习其中的反应规律,从而可以更快设计出优异的合成路径。甚至有人断言,正如李世石不敌AlphaGo一样,由于人工智能对海量数据过目不忘,未来合成路径设计大师或许会成为历史。其中的代表作有Bartosz Grzybowski和Milan Mrksich教授开发的Chematica系统、Marwin Segler 和 Mark Waller教授发展的3N-MCTS“化学AlphaGo”(点击阅读详细)以及Leroy Cronin教授对化学反应的“数字化”描述尝试(点击阅读详细)。 但是无论是经验丰富的化学家,或是基于人工规则的Chematica等系统,还是基于神经网络结合蒙特卡洛树搜索的深度学习算法,一个无法逾越的鸿沟就是合成路径的可行性问题。直到今天,无论是药物还是材料开发,决速步骤并非合成路径设计,而是实际合成操作。过去的经验表明,即使是非常优秀的合成路径设计,其中的一个或多个反应在实际操作中也经常出现反应条件或者结果不理想的现象,最终导致合成计划的失败。即使通过修正方案完成了目标化合物的合成,也经常因步骤太繁琐、操作太复杂、产率太低或成本过高等原因而止步于论文发表,无法进行推广应用。简而言之,化学家和目前的人工智能技术即使可以解决如何将目标化合物拆解为简单易得的原料小分子的逆合成分析(Retrosynthesis analysis)的理论问题,目前也无法解决如何将原料小分子组装成目标化合物的正向反应预测(Forward reaction prediction)的实际问题。 最根本的原因在于化学家和人工智能赖以学习的基础——数据,存在严重的质量问题。 众所周知,商业化的数据库取材于期刊论文,数据质量和数量均不佳。Nature 曾有一份调查显示,90%的受访者认为存在可重复性危机,超过70%受访者表示曾经无法重复他人的实验,超过50%受访者表示曾经无法重复自己的实验(Nature, 2016, DOI: 10.1038/533452a)。 图片来源:Nature 如果可以建立一个标准化数据库,大量收集各类反应的标准化数据,则可以从根本上解决数据的质量和数量问题。构建标准化数据库的最佳方法就是通过高通量实验(HTE),在极短时间内完成大量实验和获得海量数据。由于是标准的代码和脚本控制,机器执行,人工操作的误差和错误基本上都可以避免,其数据的可靠性、可重复性和关联性将远远超出目前的水平。 尽管化合物的生物活性筛选早已进入自动化高通量筛选阶段,但化学合成至今仍然停留在劳动密集型时代,为了寻找可行的化学反应条件,化学家需要不断的试错,通过大量的重复性劳动来探索反应条件和验证合成路径。然而,即使是发展非常成熟的酰胺化、Suzuki或Buchwald-Hartwig反应,常用的反应条件也超过100种。对于大多数研究较少的反应,因为缺乏足够的反应条件和数据参考而不得不进行盲筛,但又往往因为变量太多而失败,以致于研究人员对新反应的应用推广普遍持保留态度,形成恶性循环。 受紧张的药物开发时间线的影响,需要快速合成目标化合物和推广新型反应,近十年来,世界最顶尖的几家制药公司开始研究高通量化学技术,其中发展较为成熟的是美国Merck、Pfizer、Lilly、GSK、Abbvie、Amgen、BMS和AZ建立的高通量实验平台,其中最主要代表是美国Merck(Science, 2015, 347, 49, 点击阅读详细)(Nature, 2018, 557, 228, 点击阅读详细)(Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aar6236, 点击阅读详细),由于相关的进展都曾经在X-MOL报道过,详情就不再赘述,主要是从文献之外的角度对这些科研进展进行分析。 图片来源:Org. Process Res. Dev., 2019, DOI: 10.1021/acs.oprd.9b00140 首先,纵观各大药企,除了各自的高通量建设方案各不相同,即使是同一家公司,建立的高通量实验平台也有不同的针对性。尤其是药企里的MedChem和Process,由于对化学反应的要求不同,对高通量技术的运用方式也截然不同,基本上Process才建立高通量实验平台,而MedChem则倾向于利用高通量发展组合化学和平行合成。因为MedChem把化学当成验证猜想的工具,希望通过反应得到大量的类似物进行活性筛选,即使只得到1毫克的产物也无妨;而Process是希望以实用、安全和经济的方法完成大规模的反应,所以更加热衷于通过高通量筛选获得最佳的反应条件。 除了药企,也有部分高校在尝试发展高通量,其中的代表是普林斯顿、宾州州立和加州理工。然而,目前高通量在学术界的推广并不顺利。首先是成本问题,虽然高通量的性价比远远高于手工操作,但是前期投入高,回报周期长,启动难度很大。不过,最重要的还是人才和技术问题。由于技术不成熟,市面上非常缺少专门针对化学开发的高通量仪器,目前各大药企采购的大都是根据自身需求定制的仪器,换言之,高校即使有钱恐怕都很难确定采购方案;另外,运行高通量仪器最常见的不是机器大故障,而是多如牛毛的小问题。就像程序出错的原因一般都不是电脑硬件有问题而是代码有bug一样,每次使用高通量设备都需要专业人员首先精心设计整个流程,再编写代码、脚本或流程,保证每个环节都不出问题或者一旦出了问题有相应的解决方案。所以,推广到经费有限和人员流动性较高的普通公司和学术机构用于基础研究的难度很大。 虽然目前高通量实验技术存在许多挑战,但是瑕不掩瑜,其强大的功能和巨大的潜力,必将有效推动有机化学的发展与升级,而由此带来的人工智能,更是促进化学合成进入乐高积木时代的核心动力。 如果你也对高通量和人工智能感兴趣,是否想过中国有没有团队具有开展高通量和人工智能的资金和技术实力呢?如果有,你是否想要加入其中呢?如果是,以下是强行插入的植入式招聘广告。 诚邀各路英雄豪杰加入广州再生医学与健康广东省实验室,合作开展以前沿技术为基础的化学合成与应用研究,建设中国最先进的自动化高通量化学合成实验室。 研究员简介 廖矿标课题组网站,点击访问 更多资料请参考X-MOL的相关报道: Nature:如何获得碳氢键活化的奥运金牌 Nature:区域和立体选择性的三级C–H键官能化 从一个低级错误到两篇Nature 从两篇Nature的夹缝中“挤出”一篇Nature Chemistry 研究简介 我们技术平台的建设目标是科研人员可以通过设置任务一键执行,增加实验员的walk away time,这段时间可以用来分析数据、讨论结果或查阅文献,也可以去喝口水、吃点心或给重要的人发一条简讯,帮助实验员营造轻松的氛围,获得愉悦的心情与无尽的灵感。想了解更多关于技术平台的相关信息,请观看我们特别制作的视频。 HTE Workflow Showcase。视频来源:廖矿标课题组 我们希望将合成化学从以体力劳动为主的传统模式升级为以脑力劳动为主的现代模式,希望未来化学家不再把主要精力集中在如何合成分子的路径设计和实验操作中,而是将更多的时间用在思考如何发现新的化学反应,该合成哪些分子以及怎么利用这些分子解决实际问题。 应聘要求 应聘者需要提交一份未来研究或职业发展规划,我们期待应聘者有自己的想法、格局和战略眼光,我们的理念是招聘最杰出的人才来告诉我们应该做什么才能达成我们共同的目标,而不是招聘一批人来听我们的安排去做事。 薪资待遇 1. 我们不提供有竞争力的待遇,我们只提供有碾压性的薪酬。 2. 对于有突出科研能力和学科背景的应聘者,薪酬、经费面议。 3. 帮助申请黄埔区、广州市和广东省的科研经费和安家补贴及其他福利待遇。 4. 除博士后属于流动岗位,其他人员均为正式员工,工作期间表现优异者可按成果评为研究员、副研究员或助理研究员。 广州再生医学与健康广东省实验室 广州再生医学与健康广东省实验室(以下简称“再生医学省实验室”)成立于2017年12月22日,是广东省以培育创建国家实验室、打造国家实验室“预备队”为目标首批启动建设的四家省实验室之一,属事业单位性质。再生医学省实验室依托中国科学院广州生物医药与健康研究院和粤港澳地区优势科研单位,联合众多国内外顶尖科研力量,面向国家和广东省重大战略需求,瞄准干细胞与再生医学理论与技术的前沿研究、组织器官重塑研究、精准医学与临床前研究、再生应用研究等四大方向,立足国际化、高起点,全链条布局,通过国际一流领军人才团队和成果的引进以及国内相关单位的强强联合,建成国际领先水平的研究和开发高地、国际重要干细胞和再生医学临床研究基地、高端生物医药管理人才培养高地,构建华南乃至亚太地区再生医学治疗中心,努力跻身一流国家实验室。 我们手持化学这柄上古神器,又兼具自动化高通量的强大火力,除了做合成化学基础研究,还可以通过省实验室的高度国际化学科交叉平台,与生命科学家合作,研究并解决更具挑战性的化学难题,并通过发表高水平文章,传播前沿成果,增加知识积累,推动领域发展。 应聘请将(1)简历、(2)代表性论文原文、(3)研究总结和(4)未来研究规划,以“应聘职位+姓名”为邮件主题,发送至liao_kuangbiao@grmh-gdl.cn。

来源: X-MOL 2019-06-23
马小逗发布于2019-06-24  2
开创性工作,硬核广告,牛!
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chem发布于2019-06-25  0
X-mol对廖矿标博士果然真爱
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X-MOL  回复  chem发布于2019-06-25  0 回复
也不光是廖博士啦,X-MOL对所有的读者和用户都是真爱 : )

在药物设计中引入二氟甲基官能团,到底起到什么作用?

将氟原子引入药物结构,是新药设计的常用手段,约有20%-25%的药物分子结构中含有氟元素,常见的含氟官能团包括氟原子F、三氟甲基CF3、三氟甲硫基SCF3、三氟甲氧基OCF3等结构。通常而言,氟原子的引入会改变化合物的亲脂性、氢键作用、代谢稳定性、生物利用度等。近年来,二氟甲基CF2H结构出现在活性化合物中的频率明显增加。那么引入二氟甲基,到底会起到什么作用呢?日前,来自以色列生物研究所的Yossi Zafrani、Eytan Gershonov、Sigal Saphier等研究者系统地研究了二氟甲基对于多种化合物氢键酸性和亲脂性的影响。论文发表在J. Med. Chem.杂志上。 作者将含二氟甲基的化合物分为三类,化合物结构如图1所示: (1)ArCF2H,二氟甲基直接连接在芳香环上(吸电子基团和供电子基团)。 (2)二氟甲基连接到碳CH2CF2H、氧OCF2H、不同氧化态的硫S(O)nCF2H等。 (3)吸电子基团对二氟甲基CF2H的影响,包括可以形成分子内氢键(intramolecular hydrogen bonds, IMHB)的基团。 图1. 含CF2H官能团的化学物质结构。图片来源:J. Med. Chem. 氢键酸性 氢键酸性或HB酸性(hydrogen-bond acidity)是指物质作为氢键供体形成氢键的能力。物质的氢键酸性越强,作为氢键供体与其它氢键受体物质之间发生氢键相互作用、形成分子间氢键的能力就越强。在这里HB 酸性用A值来表征:A = 0.0065 + 0.133∆δ,∆δ为特殊氢在DMSO-d6和CDCl3中化学位移的差值(∆δ=δDMSO-d6-δCDCl3)。例如对于典型的官能团,A值如下:PhOH:0.62,ROH:0.42,PhSH:0.12,RSH:0.0。本文中含二氟甲基官能团化合物的核磁化学位移,∆δ,A值如表1所示: 二氟甲基部位的A值很大程度上取决于与之相连的官能团。如ArCF2H中,A值的范围为0.048-0.070,对位有吸电子基团EWG的A值最高。另一方面,化合物2a-f,因ArCH3没有供氢的趋势,其A值约为0。当二氟甲基部分连接到硫属元素时(氧、硫),ArYCF2H (Y=O,S)的A值约是ArCF2H的两倍。当硫属元素与芳香环直接相连时A值变化更突出。此时,如ArO中的孤对电子与芳香环共轭,氢原子部分更显正电性,易形成氢键。当芳环取代基为强吸电子基团,或者更显电负性时,CF2H氢原子更显正电性,A值越高。砜和亚砜都是强吸电子基团,它们的A值都较高,如3c (0.129)、5c (0.110)、3d (0.165)、5d (0.151)。相反,硫醚的A值较小,如3b (0.116)、5b (0.080)。 当化合物易形成分子内氢键时,如化合物9和11可形成五元环分子内氢键,与溶剂形成的氢键减少。另一方面,EWG为苯甲酰基,邻位上A值(0.102)与对应的对位A值(0.114)没有太大差别。这可能跟形成七元环分子内氢键相关。 综上,二氟甲基是个较弱的氢键供体,A值受连接官能团的影响,其范围为0.035-0.165,如图2所示。 图2. 不同官能团FG对CF2H取代后A值的影响。图片来源:J. Med. Chem. 亲脂性 药物的亲脂性是个极其重要的理化性质,与生物利用度、结合能力、毒性等都密切相关。通常用logP来表征亲脂性,p代表油水分配系数,即化合物在正辛醇和水中的分配系数比值。logP值越大,说明该物质越亲脂;反之,logP值越小则越亲水,即水溶性越好。 用CF2H代替CH3,是因为氟原子与氢原子大小较接近。而CF2H代替OH、SH则是因为它们都能作为氢键供体。 用∆logP表征引入二氟甲基后化合物亲脂性的变化。∆logP = logP(XCF2H) - logP(XCH3),如表2所示: 从表2中可以看到,CF2H化合物(1a-f)与对应的CH3化合物(2a-f)相比,不论烷基脂肪族还是芳香族亲脂性都下降,这种下降可能与氟的极性、体积相互作用相关。与之相反的是,CF2H取代OH后,会提高化合物亲脂性。如化合物PhCH2CH2OH的logP为1.67,PhCH2CH2CF2H的logP为3.02。CF2H取代SH后亲脂性变化很小,如6b的logP为2.96,5b为3.02。这种直观比较如图3所示: 图3. 蓝色表示CH3基团,绿色表示SH基团,红色表示OH基团。图片来源:J. Med. Chem. 对于芳香族CH3而言,CF2H为吸电子基团,降低了亲脂性。当CF2H或CH3连接了吸电子基团时,亲脂性反而增加,如表2中化合物(3b-d、4b-d、5b-d、6b-d)以及化合物9和11。直观趋势图如图4所示,砜 > 亚砜 > 硫醚,这点倒和HB酸性的变化趋势一样。 图4. 4-硝基苯基与苯乙基母体上硫醚、亚砜及砜结构的∆logP(CF2H-CH3)。图片来源:J. Med. Chem. 砜、亚砜类的亲脂性增强,可能是因为S-O键的偶极距作用被极化的C-F键抵消,并且这两个基团处于反平面(trans)构象,降低了整个分子的极性,如图5A所示。这点在α位氟化的酮、酰胺及磺酰胺类化合物的稳定性得到了确认。化合物3d、4d及化合物15-16中S-O键中氧的电荷用气相密度泛函理论(DFT)进行计算。计算结果如图5所示,偕二氟结构中两个氟为trans-trans 构象的能量比gauche-trans构象低1.7-1.8kcal/mol,3d及化合物15偶极距小,偶极作用可能导致了减小氢键受体功能,降低了氢键碱性,提高了logP。此外,化合物3d和15中,氧原子的自然电荷(natural charge)比相应的甲基化合物小,可采用更低的作用形成氢键。 图5. α-二氟甲基化的砜、亚砜及醚的理论计算及亲脂性解释(灰色:碳,蓝色:氮,青色:氟,红色:氧,黄色:硫)。图片来源:J. Med. Chem. 结论 1. CF2H是个较弱的氢键供体,在众多化合物中,A值范围为0.035-0.165,且A值取决于官能团。能形成五元环分子内氢键的化合物,A值很低。 2. 在FG-CF2H化合物中,当官能团FG为芳香环或烷基时,FG-CF2H化合物比FG-CH3的亲脂性弱。因此在这两类化合物中,CF2H为CH3的弱亲脂性生物等排体。 3. 在FG-CF2H化合物中,当官能团FG为芳香环或烷基时,FG-CF2H化合物与FG-SH的亲脂性相当。因此在这两类化合物中,CF2H为SH的亲脂性生物等排体。 4. 在FG-CF2H化合物中,当官能团FG为芳香环或烷基时,FG-CF2H化合物比FG-OH的亲脂性强。 5. 在砜或亚砜的α位,CF2H取代CH3后,A值最大,显著增强了化合物亲脂性,降低了化合物的极性和氢键供体能力,同时增加了溶剂体积。 6. 在烷基醚化合物氧的α位,CF2H取代CH3后,显著增加了化合物亲脂性,减少了氢键供体能力。 因此,CF2H在药物设计中的作用与相连的官能团密切相关,它不仅是氢键供体官能团,还可以调节分子的亲脂性。这在药物结构中引入含氟官能团中,除单氟原子和三氟甲基外,多了一种选择。 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): CF2H, a Functional Group-Dependent Hydrogen-Bond Donor: Is It a More or Less Lipophilic Bioisostere of OH, SH, and CH3? J. Med. Chem., 2019, 62, 5628-5637, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b00604

来源: X-MOL 2019-06-23

质谱成像技术结合机器学习分析抗癌药物影响下多细胞肿瘤球的代谢产物

药物影响下的代谢产物可直接反映出细胞所处微环境的变化,是药物研发,耐药性研究,等多种生物研究的重要手段。传统的代谢组学分析方法例如液相色谱或气象色谱与质谱联用,需要将样品均一化,从而失去了样品的重要的空间分布信息。质谱成像技术,由于其高灵敏性,高通量性,已应用在多种生物样品的代谢组学分析, 其中包括动植物组织和肿瘤样品。多细胞肿瘤球(简称肿瘤球)是一种3D 培养的肿瘤模型,与传统2D 细胞培养相比,它们可以更加真实地模拟肿瘤的3D结构及其内部微环境。通过结合机器学习来分析3D多细胞肿瘤球的质谱成像数据,一些重要的细胞代谢产物被发现分布在细胞球的不同位置,为药物筛选,抗药性研究提供了重要的信息。 近日,俄克拉荷马大学(University of Oklahoma)杨志柏(点击查看介绍)团队提出了质谱成像(mass spectrometry imaging)结合机器学习(machine learning)的快速分析手段。首先通过对不同条件下抗癌药物处理过3D肿瘤球分别进行质谱成像数据采集,而后以一种重要的多变量数据分析方法(多元曲线分辨,multivariate curve resolution)为模型,区分出肿瘤球外层与内层部分。之后利用机器学习的方式寻找外层和内层部分代谢产物的分布规律,最后在此基础上建立和优化一系列的数学模型,用来预测整体肿瘤球的代谢产物空间分布规律(图1)。 图1. 质谱成像与机器学习结合展示了其在代谢组学分析中的能力(X. Tian, G. Zhang, Z. Zhou, Z. Yang, Analytical Chemistry, 2019, 91, 5802-5809, Analytical Chemistry授权转载)。 实验结果表明,有监督机器学习(随机森林,random forest)模型经过训练后在极短的时间内就可以提供可靠的预测结果(图2)。为证明此模型的正确性,作者还将无监督学习机器学习(CLARA 和DBSCAN)算法来分析整体质谱成像数据,通过对比监督下与非监督下的机器学习,作者发现很高的图像重合度,由此证明机器学习的准确性。 图二:监督下的机器学习与非监督下的机器学习得出非常相似的图像结果。(X. Tian, G. Zhang, Z. Zhou, Z. Yang, Analytical Chemistry, 2019, 91, 5802-5809, Analytical Chemistry授权转载) 该方法发表在Analytical Chemistry上。文章第一作者为田翔(Xiang Tian)博士研究生。第二作者为张根为(Genwei Zhang)博士,第三作者为邹祝(Zhu Zou)博士研究生,文章的通讯作者为杨志柏(Zhibo Yang)教授。 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): Anticancer Drug Affects Metabolomic Profiles in Multicellular Spheroids: Studies Using Mass Spectrometry Imaging Combined with Machine Learning Xiang Tian, Genwei Zhang, Zhu Zou, Zhibo Yang Anal. Chem., 2019, 91, 5802-2809, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b00026 作者简介 田翔博士研究生于2014年加入俄克拉荷马大学杨志柏研究团队。其研究方向涉及质谱成像,数据分析,单细胞代谢组学,和机器学习的快速临床诊断。其研究结果以第一作者的身份发表在Analytical Chemistry,Analytica Chimica Acta等学术期刊上。 张根卫博士于2017年获得俄克拉荷马大学生物化学博士学位,于2018年获得俄克拉荷马大学数据科学硕士学位,目前于麻省理工学院从事博士后研究,主要研究方向为结合大数据的临床早期诊断。 邹祝博士研究生于2017年加入俄克拉荷马大学,由杨志柏导师与邵义汉导师联合培养,其研究方向主要集中在质谱成像,数据分析,量子化学计算,机器学习。 杨志柏教授1997和2000年在中国科学技术大学获得本科和硕士学位,2005年在美国韦恩州立大学获得博士学位。2005-2008年在西北太平洋国家实验室以及2008-2012年在科罗拉多大学博尔德分校从事博士后研究。从2012年开始,杨博士在俄克拉荷马大学任助理教授,并于2018年晋升为副教授。目前研究领域集中在现代质谱技术的发展和应用,包括单细胞检测、组织成像、人工肿瘤模型的培养和检测,以及利用新兴的数据分析方法(包括多变量分析和机器学习)对质谱数据进行挖掘和研究。除此之外,研究范围还包括气相离子化学、反应动力与学热力学和计算化学。 https://www.x-mol.com/university/faculty/6367

来源: X-MOL 2019-06-23

4-HO-TEMPO催化的环丙醇和肟酯的氧化还原[3+3]环合反应合成吡啶衍生物

TEMPO是一种廉价、易得的稳定氮氧自由基,由于其具有的中间价态,显示出良好的氧化还原性质,可以进一步氧化为氧铵盐TEMPO+,也可以经历1e-/1H+还原成羟胺TEMPOH。其中,TEMPO和TEMPO+作为温和的氧化剂已经广泛的用于有机反应中。此外,将TEMPO作为催化剂,使用额外的氧化剂或通过电化学氧化来循环TEMPO和TEMPO+的氧化策略近年来也受到越来越多的关注。然而,这些催化反应都依赖于TEMPO或TEMPO+的氧化性质,其还原态——TEMPOH对底物的还原,则少有研究。而TEMPO催化的氧化还原反应,即TEMPO和TEMPOH都作为与底物反应的活性催化剂,目前还尚未报道。 吡啶衍生物是一种具有高附加值的精细化工产品和生物活性分子,一直以来受到合成、药物和材料化学家的广泛关注。近年来,α,β-不饱和醛/酮/亚胺和肟酯的氧化还原[3+3]环化反应,被证明是合成吡啶衍生物的有效策略。然而这些反应主要依赖于亚铜盐的催化,而非金属催化下该类反应很少研究和报导。此外,由于末端烯酮具有不稳定、易聚合等缺点,上述反应局限于4-取代吡啶类化合物的合成。因此,一种互补的化学选择性合成非4-取代吡啶的方法也是迫切需要的。最近,兰州大学韩丙(点击查看介绍)课题组提出了一种4-HO-TEMPO催化的环丙醇和肟酯的氧化还原[3+3]环合策略,在非金属和无额外添加剂条件下,选择性的制备了一系列2,6-二取代和2,3,6-三取代的吡啶衍生物,相关工作发表在ACS Catalysis 上。该策略利用TEMPO/TEMPOH催化循环,通过TEMPO氧化环丙醇产生烯酮中间体和TEMPOH,后者作为还原剂可以实现肟酯中的N-O键的还原断裂,产生亚胺中间并再生TEMPO,随后发生烯酮和亚胺的[3+3]环合反应生成二氢吡啶,最终在过量肟酯的存在下被氧化为吡啶衍生物(图1)。 图1. TEMPO催化环丙醇和肟酯的[3+3]环合反应。图片来源:ACS Catal. 作者首先以苯基环丙醇和苯乙酮肟酯为模型底物进行反应条件优化,通过对不同羧酸肟酯、含有不同取代基的TEMPO、催化剂用量以及溶剂等的筛选得到最优反应条件,即:环丙醇 (0.5 mmol),乙酸肟酯 (2.5 equiv),4-HO-TEMPO (20 mol %), DMSO(2.5 mL),在120 ℃,氩气氛围下,搅拌24-36 h。随后作者对乙酸肟酯的底物适用性进行了考察,如图2所示,芳基和杂芳基取代的苯乙酮乙酸肟酯都能很好的参与反应,得到预期的吡啶产物。此外,开链以及环状脂肪酮衍生的乙酸肟酯也能兼容于该催化体系,以中等的收率得到预期的吡啶衍生物。值得一提的是,该反应方法学也适用于并环和桥环类吡啶衍生物的合成。 图2. 肟酯的底物适用范围。图片来源:ACS Catal. 接下来,作者又对环丙醇的底物适用性进行了考察,如图3所示,各种芳基、杂芳基、烷基、环烷基、多环以及含氮类杂环取代的环丙醇都能很好的与该催化体系兼容,以中等至优异的产率得到相应的吡啶衍生物。该方法同样适用于4-取代吡啶的合成,当使用2-乙基-1-苯基环丙醇1q作为底物时,也能以中等的收率合成2,3,4,6-四取代的吡啶。 图3. 环丙醇的底物适用范围。图片来源:ACS Catal. 值得注意的是,该反应方法也适合于药物和天然产物复杂分子骨架的后期官能团化修饰(图4)。例如,具有消炎和止痛的药物分子—萘普生和布洛芬衍生的环丙醇在转化过程中顺利进行,以良好的收率,得到了相应的产物 4r 和 4s;含有萜类和甾体类等天然产物结构骨架的环丙醇也很好的兼容该反应体系,得到相应的吡啶衍生物 4t-v。 图4. 药物分子和天然产物骨架的后期官能团修饰。图片来源:ACS Catal. 为了进一步探索该策略的实用性,作者又进行了3x的克级制备和相关的衍生化研究,如图5所示。1a和2x在克级规模上反应,能以82%(1.055 g)的产率得到相应的吡啶3x。产生的3x既可以通过氧化脱氢转化为苯并[h]喹啉5,也可以氧化得到2-苯基苯并[h]喹啉-5,6-二酮6。6可以进一步氧化开环,生成相应的二羧酸7。化合物6可以分别与1,2-二氨基乙烷和多聚甲醛/NH4OAc缩合,产生具有生物活性的稠环8和9。 图5. 3x的克级制备和相关的衍生化研究。图片来源:ACS Catal. 为了深入了解反应机理,作者分别对4-HO-TEMPO促进的环丙醇的氧化和4-HO-TEMPOH对肟酯的还原进行了相关的机理研究。通过控制实验和理论计算,作者证实4-HO-TEMPO可以通过氢原子转移(HAT)历程氧化环丙醇开环得到烯酮中间体(图6)。 图6. 4-HO-TEMPO氧化环丙醇开环的理论计算。图片来源:ACS Catal. 通过控制实验和循环伏安实验表明 4-HO-TEMPOH 可以通过单电子转移将乙酸肟酯中的 N-O 键还原断裂,产生亚胺自由基和乙酸,而本身被氧化为4-HO-TEMPO(图7) 图7. 循环伏安实验。图片来源:ACS Catal. 根据控制实验、DFT 计算以及循环伏安研究,作者提出了一个可能的反应机理,如图图8所示。首先,环丙醇1和4-HO-TEMPO通过HAT过程,产生烷氧自由基A和4-HO-TEMPOH。前者经历自由基开环形成 β-羰基烷氧自由基B,然后被4-HO-TEMPO进一步氧化脱氢,得到烯酮C。与此同时,4-HO-TEMPOH通过单电子转移(SET)过程将肟酯2中的N-O键还原断裂,得到亚氨自由基D,HOAc和4-HO-TEMPO。D进一步从4-HO-TEMPOH中提取氢原子,得到4-HO-TEMPO和亚胺E。产生的亚胺可以快速互变异构成烯胺F,然后与烯酮C发生亲核加成得到中间体G。G随后环化产生二氢吡啶H,最终在4-HO-TEMPO催化作用下,以过量的乙酸肟酯作为终端氧化剂,氧化芳构化成吡啶3或4。 图8. 可能的反应历程。图片来源:ACS Catal. 总之,韩丙课题组开发了一种 4-HO-TEMPO催化的环丙醇和肟酯的氧化还原[3+3]环合方法,选择性的合成了一系列2,6-二取代和2,3,6-三取代的吡啶衍生物。此外,反应具有优异的官能团耐受性、高化学选择性、广泛的底物范围和良好的天然产物和药物分子骨架兼容性等优点。该方法不仅首次实现了TEMPO催化的氧化还原反应,其中TEMPOH和TEMPO 均为活性催化剂,也拓展了TEMPO在有机催化应用中的新领域。 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): 4-HO-TEMPO-Catalyzed Redox Annulation of Cyclopropanols with Oxime Acetates toward Pyridine Derivatives Jun-Long Zhan, Meng-Wei Wu, Dian Wei, Bang-Yi Wei, Yu Jiang, Wei Yu, Bing Han ACS Catal., 2019, 9, 4179-4188, DOI: 10.1021/acscatal.9b00832 导师介绍 韩丙 https://www.x-mol.com/university/faculty/11216

来源: X-MOL 2019-06-23

Angew. Chem.:近红外II区荧光纳米链探针用于腹膜转移瘤的手术导航

腹膜转移瘤是最为常见的继发性转移瘤之一,死亡率高,患者生存期短。减瘤手术结合后续腹腔热灌注化疗为现行最为有效的治疗方式。实施精准有效的减瘤手术,关键在于清晰界定肿瘤边界、发现隐匿的微小病灶。由于肿瘤与正常组织的对比性差,很难通过肉眼实现完全区分。因此,发展和改进术中可视化技术用于腹膜转移瘤的手术治疗具有重大临床应用价值。 荧光指导的手术导航由于其固有的优良特性,如实时、高灵敏度、高特异性以及无电离辐射等,成为指导原位肿瘤和残余小肿瘤手术摘除最具前景的方法之一。在过去的十年中,一些荧光发射位于可见光(400-700 nm)和NIR-I(700-950 nm)区域的荧光探针被应用于腹膜转移瘤的手术导航研究。然而上述荧光探针却受限于较低的组织穿透深度(~mm)和空间分辨率(~mm)以及较高的组织自发荧光,从而使得减瘤手术的效率大大降低。新兴出现的NIR-II荧光探针可实现高组织穿透深部(~cm),高空间分辨率(~10 μm)和极低自发荧光的生物成像,成为肿瘤术前诊断和术中指导的最有希望的候选者。其中,Ag2S量子点由于其独特的近红外II区光学特性(宽带吸收窄带发射,尺寸依赖的光谱精准调谐、抗光漂白等)及其高的生物相容性(无毒性重金属元素),在NIR-II荧光成像中占有重要地位。 近日,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的王强斌研究院团队和同济大学附属上海市肺科医院胸外科、同济大学高等研究院杨洋副教授团队通过调控APP双亲性多肽自组装及化学交联Ag2S量子点和肿瘤靶向肽RGD,构建了一种基于Ag2S量子点的近红外II区靶向纳米链探针(APP-Ag2S-RGD),利用近红外II区荧光特性结合探针构型诱导的多价肿瘤细胞靶向,经腹腔注射实现术中超高灵敏腹膜转移瘤的检出。体外研究表明,近红外II区荧光纳米链探针(APP-Ag2S-RGD)在用于肿瘤细胞检测时,基于链状构型导致的多价结合策略,此探针对整合素受体αvβ3高表达的肿瘤细胞实现了高灵敏的特异性标记。较于Ag2S-RGD(相同Ag2S浓度)组标记的肿瘤细胞,APP-Ag2S-RGD组实现了荧光信号强度9倍的增强。在构建的小鼠腹膜转移瘤模型中,APP-Ag2S-RGD探针显著提升了肿瘤的靶向性及成像的信噪比,直径仅为0.2 mm的微小肿瘤也实现了精准检出,从而可视化实现了最多数量、最小体积、最高准确率的腹膜转移瘤的摘除。该新型安全高效的近红外II区纳米链探针为临床荧光指导的肿瘤分期、术前诊断及术中导航等提供了新的策略。 相关工作发表近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。 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): Self-Assembled Peptide Nanochain with NIR-II Fluorescence for Ultrasensitive Detection of Peritoneal Metastasis Qiuxiang Wen, Yejun Zhang, Chunyan Li, Sisi Ling, Xiaohu Yang, Guangcun Chen, Yang Yang, Qiangbin Wang Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201905643 导师介绍 王强斌 https://www.x-mol.com/university/faculty/23252 (本稿件来自Wiley)

来源: X-MOL 2019-06-23

MOF薄膜的可控制备及其在环境污染控制领域的应用

金属有机框架材料(MOF),由于具有较高的比表面积、规整的孔道和良好的结构可调性等优势,在气体存储与分离、催化、传感、药物输送、环境污染物控制等领域都有广泛的应用。国内外许多研究团队在MOF的功能设计、可控合成、构效关系探究以及潜在的应用探索领域做出了杰出的贡献。伴随着MOF的基础研究走向深入,将其器件化的需求变得越来越迫切。 然而,MOF材料自身易粉化损失、易脆化,不溶也不融化,难以进行溶剂或热加工。MOF材料器件化的进程以及在实际中的应用受到了严重的阻碍。提高MOF材料的加工性能以及与其他材料的兼容性能,成为近年来人们研究的重点。实现MOF材料的快速均匀可控成膜,进而完成相应的功能性器件的加工,被认为是推动MOF材料向实际应用迈进的关键。北京理工大学王博教授(点击查看介绍)团队综述了其课题组近年来在MOF薄膜的可控合成以及环境应用研究方面的进展,重点介绍了合成后聚合、原位交叉编织、无溶剂热压等薄膜制备方法,以及MOF膜在空气以及水体净化方面的应用。 该综述介绍了两种MOF膜的合成策略,即合成后与聚合物复合成膜以及基底上原位成膜策略,并据此总结了几种MOF成膜化工艺,重点介绍了王博教授课题组开发的原位交叉编织法(in situ interweaving)、合成后聚合(postsynthetic polymerization,PSP)和无溶剂热压(solvent-free hot-pressing, Hop)。原位交叉编织技术通过在MOF纳米晶粒之间原位引入高分子单体,进行自聚合,从而使MOF颗粒之间通过功能高分子链连接,实现快速均匀成膜。在原位聚合交叉编织法基础上,为了进一步增强高分子链与MOF晶粒表面的化学相互作用,提高MOF膜的化学稳定性,王博教授课题组提出为MOF晶体颗粒进行合成后聚合,通过引入合适的单体和光引发剂,使用简便的光引发聚合,完成对MOF的稳定化学键连接,制备高选择性的无基底MOF薄膜。针对前两种方法的局限性,进一步提出从分子层面实现MOF膜的层层自组装,通过连续热压原位成膜,设计调控金属和有机物与基底表面官能团的反应性,实现在基底表面的快速成键,最终解决MOF颗粒均一度和MOF膜与基底之间稳定连接的问题。鉴于MOF材料作为吸附剂以及催化剂在环境净化方面的重要应用潜力,该综述还介绍了MOF膜作为滤膜对PM颗粒、二氧化硫、臭氧等空气污染物以及有毒金属离子、有机染料等水体污染物的去除研究。 这一成果近期发表在Acc. Chem. Res. 上,文章的第一作者是北京理工大学马小杰预聘助理教授。 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): Metal-Organic Framework Films and Their Potential Applications in Environmental Pollution Control Xiaojie Ma, Yuantao Chai, Ping Li, Bo Wang Acc. Chem. Res., 2019, 52, 1461-1470, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00113 王博教授简介 王博,1982年生于陕西。北京理工大学前沿交叉科学研究院执行院长,校学术委员会学部委员,教授。国家万人计划领军人才,国家杰出青年基金获得者,科技部中青年科技创新领军人才。获 “中国化学会青年化学奖”。现任国际IZA 学会MOF Commission常务理事,中国交通部环境与可持续发展学会常务理事,中国化学快报、中国化学学报和Scientific Reports 等杂志编委。2004年于北京大学化学与分子工程学院获理学学士学位,2006年于美国密歇根大学获化学材料学硕士学位,2008年于美国加州大学洛杉矶分校获化学材料学博士学位。 王博教授立足新型金属有机框架(MOF)、配位聚合物薄膜材料(MOFilter),面向重大国家需求,在污染治理、绿色储能、能源气体生产与储存等领域取得了系列科研成果。现主持国家自然科学基金委课题、北京市新材料重大专项、973课题等科研项目。已在Nature、Science、JACS、Angew. Chem.等学术期刊上发表60余篇论文,论文SCI他引超过8000次,单篇最高他引1800次。已经获批美国专利6项,获批中国发明专利3项。研究成果受到国内外学者的认可和关注,被国际专业期刊多次评述报道。空气滤膜技术已经与相关企业合作,实现规模化生产。 https://www.x-mol.com/university/faculty/8913

来源: X-MOL 2019-06-23

Chem:通过C-C键的活化、断裂突破木质素单体收率的极限

木质素是地球上最丰富的具有芳香环结构的可再生资源,约占木质生物质质量的15-35%。它是由苯丙烷单元通过C-O键和C-C键连接而成,是一种复杂的三维网状结构。为了实现木质素的高效利用,普遍采用的工艺是首先剥离、解聚木质素(C-O键活化、断裂)得到单体,然后将木质素单体提质,以得到高附加值的化学品。然而在剥离、解聚过程中还有大量的(25%-30%)木质素二聚体、寡聚体未得到利用。这些木质素二聚体、寡聚体以C-C键(例如5-5键,β-5键,β-β键)相连,因为键能很高、很难发生断裂;并且在解聚过程中单体化合物会发生再聚合形成新的C-C键,导致木质素单体的收率受到严重限制。因此,如何实现木质素中C-C键和C-O键的同时活化、断裂,对于最大限度地提高木质素的利用率具有十分重要的意义。 最近,华东理工大学王艳芹教授(点击查看介绍)课题组与英国曼彻斯特大学杨四海博士(点击查看介绍)合作,报道了在Ru/NbOPO4催化剂上成功实现了一锅法氢解木质素中C-O键和C-C键的反应过程,打破了传统木质素单体化合物的理论收率。在该反应体系中,基于标准的硝基苯氧化法测定的木质素单体含量,产物中单环烃类化合物的收率高达153%,同时芳烃的选择性高达68%。 图1. 木质素一锅法氢解C-O键和C-C键制备单环芳烃的示意图。图片来源:Chem 研究团队前期的研究成果表明Ru/NbOx催化剂对木质素中C-O键的活化具有优异的性能(Nat. Commun., 2017, 8, 16104)。本工作采用联苯分子模拟木质素C-C连接方式中分布最高且键能最高的5-5键,发现在Ru/NbOPO4催化剂上,联苯的主要反应路径如下:其中一个苯环先发生环加氢反应生成苯基环己烷,然后,苯基环己烷发生CAromatic-C键断裂生成苯和环己烷,同时部分环己烷发生异构化反应生成甲基环戊烷。特别地作为对比:还研究了广泛应用于催化裂化反应的分子筛催化剂在联苯氢解中的作用。发现在Ru/HZSM-5催化剂上,联苯也可以转化生成苯基环己烷,但苯基环己烷中CAromatic-C键氢解反应速率明显低于Ru/NbOPO4。此外,单环化合物在Ru/HZSM-5上发生深度裂解,生成气态烷烃,严重降低了单环产物的选择性。对比Ru/HZSM-5催化剂,Ru/NbOPO4表现出更加优异的催化活性和对单环产物更高的选择性。这说明Ru/NbOPO4催化剂可以选择性活化与苯环直接相连的CAromatic-C键,同时避免其他C-C键的断裂,极大地提高了单环化合物的选择性。 图2. 联苯的氢解反应路径以及在Ru/NbOPO4和Ru/HZSM-5催化剂上的反应结果。图片来源:Chem Ru/NbOPO4催化剂在C-C键断裂过程中,表现出优异的催化活性和对单体化合物的高选择性,这归因于该催化剂对苯环的强吸附作用以及Ru、NbOx材料和酸性位的协同作用。该成果为最大化地利用木质素资源制备高附加值化学品提供了一种简单、低能耗的新途径。 相关工作发表在Chem上。 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): Breaking the limit of lignin monomer production via cleavage of interunit carbon-carbon linkages Lin Dong, Longfei Lin, Xue Han, Xiaoqin Si, Xiaohui Liu, Yong Guo, Fang Lu, Svemir Rudić, Stewart F. Parker, Sihai Yang, Yanqin Wang Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.03.007 导师介绍 杨四海 https://www.x-mol.com/university/faculty/47878 王艳芹 https://www.x-mol.com/groups/wangyanqin

来源: X-MOL 2019-06-23

光交联富勒烯衍生物助力柔性钙钛矿太阳能电池的机械性能

有机无机杂化金属卤化物钙钛矿是一类具有优良光电特性的光伏半导体材料。目前利用钙钛矿型太阳能电池制备的柔性光伏器件也备受关注。然而柔性光伏器件的机械稳定性是目前研究的重大挑战之一。在低温下溶液法制备的钙钛矿薄膜为制造柔性太阳能电池提供了更好的发展空间。 近日,苏州大学廖良生教授、王照奎教授以及德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心Antonio Abate教授通过光交联[6,6]‐phenylC61‐butyric oxetane dendron ester(C-PCBOD)改善MAPbI3钙钛矿膜的机械稳定性。研究人员证明了C-PCBOD可以钝化晶界,减少了陷阱态的形成并增强了MAPbI3的环境稳定性以及机械稳定性。同时针对机械稳定性的改善做了深入的研究和探讨,基于MAPbI3的钙钛矿太阳能电池在非柔性和柔性基底上的效率分别为20.4%和18.1%。这项工作为稳定和高效的柔性钙钛矿太阳能电池提供了一种有效的策略。 图1. 光交联C-PCBOD优化钙钛矿晶体结晶示意图。 相关论文发表于Advanced Materials,文章的第一作者是德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心李萌博士;共同通讯作者为苏州大学的廖良生教授、王照奎教授和柏林亥姆霍兹材料与能源中心Antonio Abate教授。 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): Perovskite grains embraced in a soft fullerene network make highly efficient flexible solar cells with superior mechanical stability Meng Li, Ying-Guo Yang, Zhao-Kui Wang*, Tin Kang, Qiong Wang, Silver Hamill Turren Cruz, Xing-Yu Gao, Chain-Shu Hsu, Liang-Sheng Liao*, Antonio Abate* Adv. Mater., 2019, 31, 1901519, DOI: 10.1002/adma.201901519 研究团队简介 高性能钙钛矿太阳能电池是苏州大学廖良生教授、王照奎教授课题组的研究方向之一。近几年来该课题组基于以往从事有机光电器件和材料研究的经验,围绕有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池中的界面、钙钛矿薄膜晶化、铅的毒性等关键问题,开发了一系列高效、稳定的空穴和电子传输材料,在界面修饰的基础上,发展了多种钙钛矿薄膜晶化控制的新方法(水添加剂、界面诱导晶化、热铰链富勒烯掺杂、电场辅助晶化、二维材料钝化、柔性器件等),通过掺杂非铅金属元素调控钙钛矿薄膜的晶化取并实现降低铅使用量等多重目的。相关论文请参考: Joule, 3, 1 (2019); Adv. Mater., 31, 1901519 (2019) ; Adv. Mater., 31, 1902222 (2019); Nano Lett., 19, 2066 (2019); Adv. Funct. Mater., 29, 1807094 (2019) Adv. Mater., 30, 1800258 (2018); Adv. Funct. Mater., 28, 1705875 (2018); Adv. Energy Mater., 8, 1701688 (2018); Adv. Mater., 28, 6695 (2016); Adv. Energy Mater., 6, 1601156 (2016); Adv. Funct. Mater., 25, 6671 (2015); ACS Nano, 10, 5479 (2016); Nano Energy, 43, 47 (2018); ACS Energy Lett., 3, 875 (2018); J. Mater. Chem. A, (2019) DOI: 10.1039/C9TA03176F; J. Mater. Chem. A, 7, 1161 (2018); J. Mater. Chem. A, 6, 1161 (2018); J. Mater. Chem. A, 5, 2572 (2017); J. Mater. Chem. A, 4, 15088 (2016); J. Mater. Chem. A, 4, 1326 (2016); J. Mater. Chem. A, 3, 13533 (2015); ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 13240 (2017) ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 9645 (2015); Appl. Phys. Lett., 108, 053301 (2016). Nanoscale, 9, 13506 (2017) Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 19745 (2015) Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 26653 (2015)

来源: X-MOL 2019-06-23

深圳大学/清华大学招聘博士后(材料/化学/计算)

研究方向 纳米/团簇催化剂及其在能源/环境中的应用 应聘条件 1、具有博士学位,勤奋好学,上进心强; 2、已获得(或即将获得)博士学位或已取得被授予博士学位的资格,年龄不超过35岁; 3、在光/电催化、燃料电池、纳米合成、理论计算等领域有较好研究基础者优先考虑。 聘期待遇(税后30-35万/年) 1.  深圳大学每年发放博士后研究人员综合年薪约14万元(包含工资、导师津贴、住房补贴、餐补)。 2.  按深圳市政府给予博士后资助的规定,开题及中期考核合格后,深圳市政府分别发放18万元(免税)的博士后津贴,共计36万元。 3.  深圳市新引进博士人才可一次性申请3万元的租房和生活补贴。 4.  进站时为33周岁以下,获得博士学位在1年以内(以博士后到校报到时间为限)。且符合“泰晤士高等教育世界大学前200名高校(包括国内)应届或一年内毕业的博士”或“在博士期间以第一作者发表3篇中科院JCR二区以上学术论文”的,深圳大学给予额外奖励性待遇每月2000元,共发放两年。 5.  超出出站要求基础科研量的情况下,以第一作者、深大第一单位每发表1篇SCI论文,根据论文分区情况给予0.5-2万元奖励(以《深圳市博士后管理工作规定》和《深圳大学博士后管理规定》等有关规定为准)。 6.  出站博士后符合深圳市后备级人才条件的,可以申请160万元的住房补贴(以深圳市人力资源和社会保障局文件为准)。 7.  海外知名高校博士留深工作可以申请深圳市孔雀计划160~200万住房补贴,以及270~500万科研启动经费 8.  符合条件可申请广东省珠江人才计划(发放与工资匹配的津贴,共发放5年,以广东省科技厅相关政策文件为准) 9.  可以负责人身份独立申请国家自然科学基金,深圳市基础研究项目和博士后基金等。 10. 学校安排周转房(低于市场租金)。 11. 博士后人员进站,可自愿选择落户本市,其配偶及未成年子女可办理随迁入户;其子女入托、入学的有关事宜,参照深圳大学教职工办理。 12. 出站博士后留深工作并与工作单位签订3年以上合同的,提供30万元科研启动经费。 13. 符合条件的博士后可申请评定专业技术资格。 14. 符合学校政策要求的优秀博士后可申请转为教师。 应聘者请提供以下材料 [1] 个人简历; [2] 反映个人学术水平的代表性成果。 联系方式 王老师 电邮:wangjinferro@163.com 合作老师代表著作: Wang J.*,et al. Nature Materials, 14, 985 (2015). Kvasov A.#, McGilly L. J. #, Wang J. #* et al., Nature Communications, 7, 12136 (2016). Shi Z.Y., Wang J.* et al. Nano Research, 9, 353 (2016). Y.Q. He, et al. Wang J.*, Journal of Materials Chemistry C, 6, 7745 (2018) Wang J.* et al. Physical Review B, 91, 125432 (2015).

来源: X-MOL 2019-06-23

做了科研,就没了生活?

这篇文章应该从几年前的一件事说起,当时笔者刚成为研究生,第一次参加中国化学会学术年会,很有些兴奋。会场里国内外的教授都有,报告内容反正也不怎么听得懂,就光注意演讲者的外表了。先是一个国外教授作报告,大概四五十岁年纪,短发梳的一丝不乱,一身深灰西装很是精神;紧接着是一个国内的教授,差不多年纪,不吹不黑,头发长短看着至少一个月没理过了,还有一小部分蓬了起来,衬衣也有点皱,胡子拉碴,感觉就是颇有些“不拘小节”。当时以为是个例,不过当笔者串了几个会场,却发现这种“不拘小节”的学者可不少见,而相比之下,那些刚刚归国的教授和作报告的学生反而穿着更干净利索。当时就在考虑,难道在国内做科研真的会忙到选一件得体的衣服、整理一下仪容的时间都没有了?还是他们沉浸在科学之中,根本不会注意到其他事情? 不光是老师们如此。最近笔者还无意间发现,进实验室不到一年的小师妹也开始像我们这些老油条一样因为实验不顺而飙脏话,而且小师妹以前养眼的精致淡妆也逐渐简单粗暴化,直到如今彻底素面朝天。做科研难道真的就没有了业余时间?难道一定是段辛酸史吗?“对比我们这些实验汪,互联网公司的996完全太轻松了好不好!”面对这个问题,寝室里躺在床上回血的兄弟在哀嚎,“实验没结果,文章没接受,毕业没把握,谁敢歇着!” 这不是我们实验室的小师妹。图片来自网络 说的也是,研究生有研究生的压力,而导师们的压力更大,基金申请、评职称,尤其是所在单位实行“非升即走”制度要面对Tenure Track考核的导师,“publish or perish”真不是一句玩笑话。如此重压之下,谁又能真的放下手里永远做不完的实验“浮生偷得半日闲”呢? 近来看到英国帝国理工大学的Mattias Björnmalm博士在Science 的“WORKING LIFE”栏目发的一篇评论“Taking a break is hard work, too” [1],深有同感。Björnmalm提到了自己读博期间的一件事,当时他和导师在咖啡店里讨论问题,导师提醒说“我们需要更聪明地工作,而不是更努力地工作”,这给了Björnmalm很大启发。在他以前的观念中,或者在整个学术圈的文化中,长时间地工作似乎一直是研究人员的标配。这一段谈话让Björnmalm明白在科研中新颖的想法并非来自一个承受着巨大压力的头脑。他平时通过漂流、玩电子游戏或者做一顿美味的晚餐让自己放松,发现自己最好的想法几乎总是在大脑放松之后想出来的。适当的休息就是聪明的学习! 举个例子,看看Björnmalm当年读博士时候的“新颖想法”。他们为了研究不同重力条件对于金属有机框架(MOF)材料生长的影响,带着材料从4000多米的空中跳伞,希望开伞前的自由落体能给MOF一段时间的微重力环境。具体实验设计和结论,可以去读他们最后发表的论文 [2]。笔者这里要感慨,这是不是就是传说中“玩着玩着就把论文发了”? 右手紧握样品、自由落体中的Mattias Björnmalm。图片来源:University of Melbourne[3] 数年后Björnmalm在教育自己的学生时,也把这样的理念传递了下去,无论因为好奇或者热情做科研,都不应该让自己工作到精疲力竭,这样只会逐渐磨灭你的初心。工作与生活的平衡会对自己的研究有促进,并且是不可或缺的一部分。 Mattias Björnmalm博士。图片来源:Imperial College London 这样的例子还有很多。 爱尔兰都柏林圣三一学院的Jonathan Coleman教授就曾在陪儿子玩橡皮泥时获得灵感,用橡皮泥和石墨烯纳米片开发了一种敏感度很高的电力学传感材料,收获了篇Science(点击阅读详细)。 美国斯坦福大学的Manu Prakash教授基于儿时玩具的启发,在Nature Biomedical Engineering上发文报道了一种成本仅20美分、无需用电、仅由纸和线构成的离心机,转速高达125,000 rpm,离心力达30,000 g,可以在不到1.5分钟的时间内将血浆和血细胞分离开(点击阅读详细)。 加州大学洛杉矶分校杨阳教授团队在喝咖啡时一句“给钙钛矿也喝点咖啡”的玩笑话,给了团队灵感,他们随后在Joule 上报道咖啡因的引入能让钙钛矿太阳能电池展现出更高的光电转换效率和更好的稳定性(点击阅读详细)。 澳大利亚新南威尔士大学梁康博士及新南威尔士大学/剑桥大学侯经纬博士团队在探访金庸先生的纪念碑时,突然联想到了金庸小说《倚天屠龙记》中张三丰传授张无忌太极拳法时的场景,从太极拳要义联想到了提高ZIF材料化学稳定性的新思路,最终在Chem 发文报道了引入柔软且不稳定的生物大分子的“以柔助刚”策略(点击阅读详细)。 李连杰主演的《倚天屠龙记》 笔者自己也有类似的情形。有一次,制备的纳米材料表征之后发现形状是自己想要的,但是荧光信号怎么都对不上,无论调溶剂比例、温度等等就是做不出来。笔者那时候也是死脑筋,不信自己做不出来,各种尝试,实验做的昏天黑地,最后连导师都看不下去了,让笔者放假休息几天之后再说。结果,在放假之后的第三天,与朋友聚会喝啤酒的时候突然想到,是不是溶剂纯度的问题?换了溶剂之后果然拿到了想要的数据。还有一次,听院里的大牛教授做报告,他专门强调周日不要去联系他,那是他自己安排生活的时间,不会带手机,也不会看邮件。结合自己此前的经历,笔者也跟风把周日作为疯玩的时间。或是三五友人游山玩水,或是球场上汗流浃背,或是宅在寝室打游戏、看球赛,大呼小叫嗨起来。也不知道是不是这个方法的效果,研究生做的成绩还不错。 做科研不容易,笔者想套用一句鸡汤文,“这不是一次百米竞赛,而是一场马拉松”,没必要每时每刻都全力冲刺。总是在做事,不代表总能做对事。累了就好好放松放松,张弛有度,相信科研终会越做越好! 参考资料: 1. Taking a break is hard work, too. Science, 2019, DOI: 10.1126/science.364.6435.98 https://science.sciencemag.org/content/364/6435/98 2. Controlling the Growth of Metal-Organic Frameworks Using Different Gravitational Forces. Eur. J. Inorg. Chem., 2016, 2016, 4499-4504, DOI: 10.1002/ejic.201600338 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ejic.201600338 3. Skydiving for science. https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/skydiving-for-science (本文由Sunshine供稿)

来源: X-MOL 2019-06-22
13号保罗乔治发布于2019-06-25  0
每周8 10 7,哪来的生活。 
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