Chem. Sci.:三元纳米管“穿针引线”式自组装

纳米复合材料在生物医学、催化和能量转换等方面具有巨大的应用潜力,这些材料体系的物理化学性质取决于复合材料中各组分之间的拓扑和空间关系,不少性能优秀的纳米复合材料,其内多组分呈有序排列并具有协同作用。然而,由于多组分纳米材料的自组装过程比较复杂,构建有序结构的多组分纳米材料受到诸多限制,目前迫切需要新的策略来实现在纳米级精度上的有序组装。单壁碳纳米管(SWNT)具有连续的一维结构,电子特性非常适合光电应用。然而,SWNT容易聚集成束,溶解度也较差,这些性质严重限制了含有SWNT的器件的可加工性和性能。表面改性是改进SWNT性能的常用手段。利用聚合物包裹封装,可以改善SWNT表面的亲水性能并减少聚集成束,并且还可以赋予复合材料希望的电子及力学性能。然而,碳纳米管-聚合物界面通常较弱并且聚合物链的长程结构难以控制。 近日,美国俄亥俄州立大学Jon R. Parquette教授(点击查看介绍)等研究者在Chemical Science 上报道了一项很有意思的工作,他们将单壁碳纳米管、自组装纳米管和聚合物共组装成单个同轴纳米管。他们首先利用双头基两亲分子萘二酰亚胺-赖氨酸(NDI-Bola)单体形成自组装纳米管,再经过超声处理得到长度小于100 nm的纳米管片段,随后这些纳米管片段与SWNT发生“穿针引线”式自组装:SWNT穿过NDI-Bola纳米管,而NDI-Bola纳米管围绕SWNT沿轴向生长并延长,形成连续包覆层。SWNT与NDI-Bola纳米管的自组装过程由SWNT表面与带正电荷的NDI-Bola纳米管内部之间静电相互作用以及阳离子-π相互作用而驱动。最后再在外部包封一层水溶性聚合物PPE-SO3Na,形成SWNT/NDI-Bola/PPE-SO3Na三元复合纳米管结构。 SWNT/NDI-Bola碳纳米管的组装示意图。图片来源:Chem. Sci. 2010年,Parquette教授团队就曾用NDI-Bola在水中先形成单层环然后再逐渐堆叠自组装成纳米管结构(Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 7688)。由于单体中存在的氨基酸头基,NDI-Bola纳米管的内部是高极性的,可能与碳纳米管的疏水表面不相容。然而,近期的报道已经证明SWNT的富π电子表面可能通过阳离子-π相互作用与钠等阳离子结合并介导它们的迁移。从而,作者想到:NDI-Bola内部的质子化头基与SWNT表面之间阳离子-π相互作用,是否有可能赋予NDI-Bola封装碳纳米管的能力? NDI-Bola纳米管的组装示意图。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 在这一思路下,作者将NDI-Bola纳米管与经过酸处理的商用SWNT混合,在溶液中反复超声处理,直到混合物形成均匀的分散液。超声过程将NDI-Bola切断,长度变短(≤100 nm)。同时,利用静电相互作用和阳离子-π相互作用促使SWNT穿过短NDI-Bola纳米管内部孔道,实现“穿针引线”式的自组装。有趣的是,NDI-Bola纳米管具有自愈合性能,超声过后在25 ℃下保温数小时,这些短的、亚稳态的NDI-Bola管就可沿着SWNT表面通过自愈合逐渐融合在一起。经过三轮超声-保温过程,NDI-Bola管就可在SWNT表面形成一个连续的同轴超分子包覆层。自组装过程的高度可逆性有利于其动态校正和能量最小化,从而形成具有高水溶性和更完整覆盖的热力学优化复合结构。 SWNT/NDI-Bola碳纳米管的透射电镜照片。图片来源:Chem. Sci. 透射电镜成像可以直观的观察到超声前后NDI-Bola与SWNT的变化。通过三次超声-保温过程处理,SWNT表面完全被NDI-Bola覆盖,得到直径~17 nm的同轴SWNT/NDI-Bola纳米管。管壁厚度也从NDI-Bola的2.5±0.5 nm增加到了5.0±0.5 nm,表明SWNT周围形成了双层NDI-Bola包覆层,而内部孔尺寸~7 nm保持不变。吸收光谱、拉曼光谱、XRD等测试也从不同角度证实了这一结果。作者推测,NDI-Bola管壁从单层至双层的结构变化可能是组装过程中Zeta电位降低的结果,组装结构较少的表面电荷使得两个NDI-Bola单层合并,从而形成具有较低总表面积的较大纳米管,有利于保持稳定。 SWNT/NDI-Bola复合材料同轴组装示意图。图片来源:Chem. Sci. SWNT/NDI-Bola复合材料具有优异的性能,比如极高的杨氏模量(2.8 GPa),更窄的DMT模量分布。随后,研究者通过逐层静电工艺,利用SWNT/NDI-Bola的水溶性及呈现的较正Zeta电位,与带负电荷的水溶性聚合物PPE-SO3Na混合,形成SWNT/NDI-Bola/PPE-SO3Na三元复合纳米管材料。 SWNT/NDI-Bola/PPE-SO3Na三元复合材料的表征。图片来源:Chem. Sci. 综上,Parquette教授等研究者通过SWNT表面的自组装,“穿针引线”式的完成了其表面改性,为碳纳米管的设计和层次有序的多组分纳米结构的组装奠定了基础,在光电子学、生物医学等领域中具有潜在的应用价值。 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): Threading carbon nanotubes through a self-assembled nanotube Mingyang Ji, McKensie L. Mason, David A. Modarellib, Jon R. Parquette, Chem. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C9SC02313E 导师介绍 Jon R. Parquette https://www.x-mol.com/university/faculty/69081 关于Chemical Science: 英国皇家化学会综合性旗舰期刊,最新影响因子为9.556。发表化学领域最前沿、最重要、最具挑战性的高影响力研究成果。Chemical Science 是化学领域中影响力最大的开放获取期刊(open access),所有文章均可免费阅读。 (本文由小希供稿)

来源: X-MOL 2019-08-22

手性传递:溶剂手性诱导产物手性?

手性介质作为唯一的手性源诱导不对称反应一直是有机合成的巨大挑战。由于产物的手性可追溯到天然手性源(可能会经过立体选择性反应、光学拆分等步骤),因此这类反应通常被称为“手性接力”。可想而知,自然界中数量庞大的手性溶液是非常有用的资源。目前,已经有科学家一定程度上验证了这种概念。比如,Seebach等人用(S,S)-1,4-双(二甲胺基)-2,3-二甲氧基丁烷和戊烷作为共溶剂在苯乙酮的电化学聚合中得到产物对映体过量值(ee)为23% [1];Laarhoven等人在(S)-扁桃酸乙酯中通过光环化得到螺烯衍生物ee值为2% [2],在(S)-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇中对硝酮进行光异构化得到的氧氮丙啶ee值为31% [2];而Gausepohl等人用硼酸基离子液体实现了磷催化aza-Baylis-Hillman反应84% ee [3]。 尽管从概念到实践已经取得了长足进步,但上述反应的底物都是需要极性基团来与手性介质形成较强的相互作用从而到达区分非对映过渡态或中间体的目的,而自然界中丰富的非极性手性液体中(如单萜),因为它们只能提供弱相互作用(如范德华力),因此难以应用。 手性溶液作为唯一手性源在不对称反应中的可能机制。 图片来源:ACS Cent. Sci. 为了解决这一问题,日本京都大学的Michinori Suginome教授课题组提出了一个叫做“基于催化剂的策略”(catalyst-based strategy):即利用非极性手性溶液诱导催化剂产生手性构象,然后通过非键作用将手性传递给产物。当然这种非键作用很弱,为了提供足够的能力去区别不同的手性过渡态,他们把目光锁定在一类螺旋化合物,因为已有研究显示某些螺旋化合物虽然其左手螺旋和右手螺旋正常情况是等量的,但在手性溶液(如柠檬烯、(S)-1-氯-2-甲基丁烷或(S)-5-乙基-5-丙基-十一烷)中可以一定程度地去消旋化,尽管手性纯度不够也不能量化。针对这一问题,Michinori Suginome教授课题组基于早年发现的poly(quinoxaline-2,3-diyl)s(PQXs)类化合物在引入手性侧链会自发组装成单手螺旋以及引入催化基团实现不对称催化等现象,认为即使带有非手性侧链的PQXs如果在手性溶液中也可能会形成单手螺旋,并可能在不对称催化反应中得到应用。 事实正如他们预料的一样,近日Michinori Suginome教授课题组发现含有2-(二苯基膦)苯基修饰的PQXs可以在非极性手性溶剂柠檬烯中动态地形成螺手性催化剂,并在钯催化的Suzuki-Miyaura 交叉偶联、苯乙烯硅氢化和硅硼化反应中实现手性传递,而且并不需要对映体纯的柠檬烯就能得到很好的对映选择性,甚至诱导产生的螺手性催化剂在非手性溶液中依然能催化上述不对称反应,即实现“手性记忆”。相关结果发表在ACS Central Science 上。 Suginome教授及柠檬烯作为手性溶剂实现单手螺旋诱导和不对称催化。图片来源:京都大学 确定手性溶液与螺旋高分子的最佳搭配 前文已经提到PQXs侧链的手性对形成单手螺旋很重要,同样地,在含有非手性侧链的PQXs中侧链也对手性溶液非常敏感,从而影响诱导出来的单手螺旋纯度。研究人员发现,丙氧基甲基侧链5(40)在所有测试的手性溶剂中表现最好,尤其在(R)-柠檬烯中能达到72%的se值(crew-sense excess),得到p构型的螺旋聚合物,可能末端双键对该手性诱导有重要作用。另外,对于不同聚合度的PQXs 5(DP)而言,尽管se值与聚合度DP呈非线性增加趋势,但圆二色谱信号是一致的。并且,se值随(R)-柠檬烯的ee值增加也呈非线性增加趋势。更有意思的是,对于5(1000)而言,只需要ee值为65%的(R)-柠檬烯就能诱导出最高的se值。 反应体系的筛选。图片来源:ACS Cent. Sci. 不对称Suzuki-Miyaura偶联中的应用 正如上面讨论的,配体L1只有在手性溶液中才能产生不对称催化作用,而在非手性溶剂THF中得到的Suzuki-Miyaura偶联产物只能得到外消旋混合物 (entry 1),在含有5%THF 的(R)-柠檬烯中得到产率和ee值最高的S构型偶联产物 (entry 2);相反地,用(S)-柠檬烯做溶剂则得到R构型的偶联产物 (entry 4)。意外的是,当用含有更多配位点的配体L2时偶联产物的ee值和产率都略有下降 (entry 6)。作为对比实验,研究人员发现不含磷配体的5(1000)以及不含螺旋聚合物的配体PPh3、L3、L4和L5要么不能催化反应 (entries 7-9) 要么不能得到手性偶联产物 (entries 10-11),这表明柠檬烯不仅能作用于钯催化中心而且作用于PQXs侧链以诱导单手螺旋。同理,(S)-HMB也能实现类似的转化,这些都是前面讨论的“手性传递”效应。另外,与之前所述的se值随(R)-柠檬烯的ee值增加也呈非线性增加趋势一样,偶联产物的ee值也随柠檬烯的ee值增加而呈非线性增加(entries 14-16),这就是“纯手性放大”现象 (homochirality amplification)。有趣的是,从(R)-柠檬烯中制备出来的固体配体L1*无论是在THF还是在异丙醇中都能实现比较好的不对称催化 (entries 17-18),这就是“手性记忆”效应 (memory of chirality)。 在Suzuki-Miyaura偶联中的应用。图片来源:ACS Cent. Sci. 其他不对称反应中的应用 研究人员还将上述手性转移体系应用到苯乙烯的硅氢化反应中,得到ee值高达95%。另外,用含有3,5-二甲苯基的配体L6对亚甲基环戊烷进行开环硅硼化反应时,可以得到89%的ee值。这些例子进一步显示了这一策略在不对称催化偶联反应中的普适性。 其他不对称反应中的应用举例。图片来源:ACS Cent. Sci. 总结 过去化学家通常利用手性催化剂去控制对映选择性,而手性溶剂作为唯一的手性源也可以诱导高对映选择性的手性,正如Michinori Suginome教授课题组开发的柠檬烯作为手性溶剂结合催化剂诱导PQXs产生单手螺旋,利用产生的不对称环境可以实现包括Suzuki-Miyaura等几种不对称偶联反应。该体系的优点还在于柠檬烯是非常便宜的手性源,可以从桔子皮中提取。Suginome表示未来他们将把其他配位基团(如吡啶、联吡啶、双膦化物)连接到PQXs骨架上,期望与金属催化剂配合实现更多的不对称合成。 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 Catalysis in Chiral Solvents: Chirality Transfer with Amplification of Homochirality through a Helical Macromolecular Scaffold Yuuya Nagata, Ryohei Takeda, Michinori Suginome ACS Cent. Sci., 2019, DOI: 10.1021/acscentsci.9b00330 参考文献: 1. Mechanism of Electrochemical Pinacolization. The First Asymmetric Synthesis in a Chiral Medium. Angew. Chem. Int. Ed., 1975, 14, 634−636. DOI: 10.1002/anie.197506342 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.197506342 2. Chiral solvent-induced asymmetric synthesis; photosynthesis of optically enriched hexahelicene. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1977, 47a. DOI: 10.1039/C3977000047A https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/1977/c3/c3977000047a#!divAbstract 3. Highly Enantioselective Aza‐Baylis–Hillman Reaction in a Chiral Reaction Medium. Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 3689−3692. DOI: 10.1002/anie.200600327 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.200600327 供稿:峰千朵 审校:龙须友

来源: X-MOL 2019-08-22

RSC主编推荐:纳米领域精彩文章快览(免费阅读原文)

英国皇家化学会(RSC)是一个超过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44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“纳米领域”,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,欢迎在文末写评论发表您的高见! Chemical Science (IF: 9.556) 1. Poly(ethylene glycol) nanocomposites of sub-nanometer metal oxide clusters for dynamic semi-solid proton conductive electrolytes Chem. Sci., 2019, Advance Article DOI: 10.1039/C9SC02779C Researchers from the South China University of Technology have obtained semi-solid nanocomposites by dispersing metal oxide clusters in the melt of polyethylene glycol (PEG). They show promising proton conductivities due to the fast proton transportation through the dynamic polymer chains. The nanocomposites also show pseudo-plastic properties: the nanocomposites behave like solids with negligible flow at high concentrations, but at high-speed shear forces the viscosity of the composites decreases and they can flow. The study could be useful in the design of other semi-solid proton conductors. 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,或点此查看原文 2. Ultra-Permeable Polyamide Membranes Harvested by Covalent Organic Framework Nanofiber Scaffolds: A Two-in-One Strategy Chem. Sci., 2019, Advance Article DOI: 10.1039/C9SC03088C Scientists from Nanjing Tech University have prepared ultra-permeable nanofiltration membranes with a water permeance of up to 31.1 L m-2 h-1 bar-1 and a Na2SO4 rejection rate of about 95%. Most nanofiltration membranes are quite thick and have a high transport resistance, but the highly porous and hydrophilic carbon organic framework (COF) nanofiber scaffolds used in this study can create ultrathin polyamide layers with large surface areas. This membrane has potential to be used in delivering clean water across the globe, which is a major issue. 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,或点此查看原文 Nanoscale Horizons (IF: 9.095) 1. Understanding the noble metal modifying effect on In2O3 nanowires: highly sensitive and selective gas sensors for potential early screening of multiple diseases Nanoscale Horiz., 2019, Advance Article DOI: 10.1039/C9NH00404A Detection of multiple volatile organic compounds in human exhaled breath has the potential to help with the early diagnosis of diseases. However, detecting trace levels of exhaled biomarkers remains a challenge and the corresponding mechanism for the selectivity is still unclear. Herein, ultrafine In2O3 nanowires (NWs) modified with Au, Ag, and Pt noble metal nanoparticles (NMNPs) are synthesized using the electrospinning method and are used to build semiconductor sensors. It is exciting to observe that the introduction of NMNPs enhances the sensing performance, but also effectively tunes the selectivity. The Au-, Ag- and Pt-modified In2O3 NW sensors show excellent selectivity to hydrogen sulfide, formaldehyde, and acetone biomarkers, respectively. To understand the mechanism of the selectivity, theoretical simulation is performed and it is found that the specific absorption energies between the modified NWs and the target gases along with the “spillover effect” work together to give the selectivity properties. The work provides a simple, low-cost, effective tool for early screening of halitosis, breast cancer, and diabetes at the same time and an in-depth understanding of the enhanced sensing performance. 限时免费阅读原文,登录后可下载 扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文 2. Incorporating mixed cations in quasi-2D perovskites for high-performance and flexible photodetectors Nanoscale Horiz., 2019, Advance Article DOI: 10.1039/C9NH00391F The intrinsic instability of 3D perovskites against moisture restricts their use for practical applications in optoelectronics devices. Great efforts have been devoted to developing quasi-2D perovskites due to their much better stability, but their device performance is still poor compared to their 3D counterparts due to inefficient charge transport. In this paper, for the first time, an exceptionally simple synthetic method is developed to incorporate a unique combination of formamidinium (FA) and cesium (Cs) mixed cations with well-controlled composition into (iBA)2(MA)3Pb4I13 (iBA = iso-butylamine and MA = methylamine) to achieve quasi-2D perovskite films with remarkably enhanced film quality. This optimized mixed cation incorporation can not only improve the charge transport among the inorganic metal halide layers, but also enable excellent operational stability and performance enhancement in photodetection, especially for flexible photodetectors with high responsivities, short response times and good mechanical robustness. Overall, incorporating these exclusive mixed cations provides valuable design guidelines and new insights into stable perovskite materials for high-performance flexible photodetectors. 限时免费阅读原文,登录后可下载 扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文 3. A silk-based sealant with tough adhesion for instant hemostasis of bleeding tissues Nanoscale Horiz., 2019, Advance Article DOI: 10.1039/C9NH00317G Adhesion to wet tissue surfaces, especially in highly dynamic biological environments, is important in clinical fields but remains extremely challenging. Currently available sealants are cytotoxic, adhere weakly to tissues, or cannot be used in wet and dynamic environments within the body. To address these challenges, marine mussels, which secrete catechol-rich foot proteins to maintain strong adhesion under seawater, provide an ideal model for researchers to design high-performance adhesive systems. However, the existing biomimetic technologies focus on imitating the catechol feature of the mussel foot proteins, while the importance of their hierarchically assembled nanostructures for robust underwater adhesion is neglected. We envisioned that simultaneously mimicking the chemical composition and hierarchically assembled nanostructures is a promising strategy to enhance the wet adhesion properties of bio-inspired materials. Here, we reported a facile method for developing strong underwater sealants with hierarchically assembled nanostructures by introducing tannic acid into silk fibroin to address the aforementioned limitations. The co-assembly behavior of tannic acid with the natural biomolecules can open up a new avenue for the one-step development of functional nanoscale materials and hierarchical bio-assemblies. 限时免费阅读原文,登录后可下载 扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文

来源: X-MOL 2019-08-22

Angew. Chem.:基于界面自组装的二维有序多孔聚合物/石墨烯复合材料

以石墨烯为代表的二维纳米材料由于其优异的电学、光学和力学性能,有望在高性能能源存储器件和设备 (如电池、超级电容器) 上得到广泛应用。然而,二维材料由于层间范德华力的存在,导致材料极易堆叠,比表面积和活性位点减少,从而无法充分利用。针对这一问题,研究人员开发了一系列改进和提高的方法,例如材料的表/界面修饰、杂原子掺杂、形貌调控等。在二维石墨烯表面原位生长导电聚合物,通过构筑三明治结构的复合纳米片,不仅可以保持材料的高导电性,还可以有效抑制片层的堆叠。同时,引入介孔不仅可以增加材料的比表面积,缓冲电极的体积膨胀,而且利于电解液离子的扩散,从而提高能源器件的电化学性能。因此,开发二维有序介孔复合纳米材料能够集成二维材料与介孔材料两者的优点。但是,目前已有报道的二维三明治结构多孔材料多为含面内球形孔的二维介孔纳米材料,而更有利于电解质离子传输和材料电化学性能提高的含面内平行柱状孔的二维介孔纳米片的可控制备仍面临着巨大的挑战。 图1. 二维有序介孔聚吡咯/石墨烯复合物(mPPy/rGO)的形貌与结构表征。a)合成路线示意图;b)透射电子显微镜照片;c)原子力显微镜照片;d)氮气吸脱附曲线及孔径分布曲线(插图)。 近期,上海交通大学麦亦勇教授(点击查看介绍)课题组和中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员(点击查看介绍)团队合作,发展了一种普适的界面自组装策略,可控制备出多种具有面内平行柱状孔的有序介孔聚合物/石墨烯复合纳米片,包括聚吡咯/石墨烯、聚苯胺/石墨烯、聚多巴胺/石墨烯等,并将其应用于全固态平面微型超级电容器。如图1a所示,该工作以P123嵌段共聚物柱状胶束为平行柱状介孔模板,氧化石墨烯 (graphene oxide) 为二维基底,利用单体与胶束、氧化石墨烯之间的氢键作用力,使得柱状胶束在石墨烯表面自组装形成紧密排列,在单体聚合形成聚合物网络之后通过水洗除去共聚物模板,获得含面内柱状孔的有序介孔聚合物/石墨烯复合纳米片。以mPPy/rGO为例,合成的纳米片具有面内平行柱状的有序介孔(图1b),材料的厚度为26 nm (图1c),孔径大小为11 nm (图1d),根据氮气吸脱附数据计算其比表面积高达157 m2 g-1。 图2. 基于mPPy/rGO电极材料组装的微型超级电容器(mPPy/rGO-MSCs) 的表征与性能测试。a)mPPy/rGO纳米片上离子、电子传输示意图;b)mPPy/rGO微电极在平面和弯曲态的光学照片;c)mPPy/rGO-MSCs在不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线;d)mPPy/rGO-MSCs在不同扫描速率下的体积比容量和面积比容量;e)mPPy/rGO-MSCs的Ragone曲线图;f) 三个串联器件在0.3 mA cm-2下的恒流充放电(GCD)曲线(插图:三个串联器件点亮红色LED灯的光学照片)。 面内平行柱状孔有利于纳米片堆积时电解质离子沿着面内柱状孔快速传输(通常,二维片的堆积容易使得其侧面离子传输受阻),可有效提高微型超级电容器的功率密度和倍率性能(图2a)。因此,研究人员以mPPy/rGO纳米片为电极材料,采用模板辅助抽滤法制备了交叉指型的平面微型超级电容器mPPy/rGO-MSCs(图2b)。在不同的扫描速率下(1到100 mV s-1),mPPy/rGO-MSCs的循环伏安(CV)曲线呈现类矩形,表现出典型的聚吡咯和碳材料的电化学行为(图2b)。在1 mV s-1下,mPPy/rGO-MSCs的面积比容量为81 mF cm-2,体积比容量为102 F cm-3,高于多数基于碳材料和导电聚合物的微型超级电容器(图2d)。与商业化的储能器件(如活性炭基超级电容器、铝电解电容器等)相比,mPPy/rGO-MSCs展现出较高的体积能量密度(2.3 mWh cm-3)和功率密度(503 mW cm-3)。同时,该器件还具有良好的机械柔性以及可串/并联直接集成的特征,能够实现高电压和高电容输出(图2f)。基于上述分析,二维有序介孔导电聚合物/石墨烯复合物结合了面内平行柱状孔,高电化学活性的赝电容聚合物,和高导电性的双电层石墨烯的优势,具有优异电化学性能。此项工作为可控制备二维有序介孔复合材料及其孔结构调控提供了新方法,为设计组装高比能储能材料和器件提供了新策略。 相关结果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 杂志上,文章的共同第一作者是上海交通大学的博士研究生田豪、硕士研究生侯丹和中国科学院大连化学物理研究所博士研究生秦洁琼。 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): General Interfacial Self‐Assembly Engineering for Patterning Two‐Dimensional Polymers with Cylindrical Mesopores on Graphene Hao Tian, Jieqiong Qin, Dan Hou, Qian Li, Chen Li, Zhong‐Shuai Wu, Yiyong Mai Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 10173-10178, DOI: 10.1002/anie.201903684 导师介绍 麦亦勇 https://www.x-mol.com/university/faculty/12566 吴忠帅 https://www.x-mol.com/university/faculty/26723 撰稿人:秦洁琼 吴忠帅

来源: X-MOL 2019-08-22

Angew. Chem.:新型氮杂-BODIPY-脂质体纳米颗粒用于肿瘤多模态光学成像

在多功能纳米医学材料研究中,开发功能性自组装纳米骨架模块是一个重要的新方向。最近加拿大玛格丽特公主癌症研究中心、多伦多大学郑岗教授的研究团队在Angewandte Chemie International Edition 上发表论文,报道了一种新型氮杂-BODIPY-脂质结构模块 (aza-BODIPY-lipid) 的合成以及其自组装成脂质体纳米颗粒(BODIPYsome)用于肿瘤多模态光学成像的成果。 研究发现这种aza-BODIPY-lipid 骨架模块在组装成 BODIPYsome纳米结构后,分子间发生J-聚集,导致光学吸收波长大幅度红移至近红外区(吸收波长从660 nm转移到702 nm)。通过加入DPPC磷脂单元去调节aza-BODIP-lipid在BODIPYsome膜上聚集密度比例,研究者发现这种分子间J-聚集的光学现象普遍存在于含不同aza-BODIP-lipid密度(5%-95%)的BODIPYsome中,而且非常稳定,不受外部环境刺激(如血清、时间、温度和pH变化)的影响。这种异常的J-聚集稳定性可能归因于分子间的J-二聚体效应。含有胆固醇的BODIPYsome显示出增强的胶体稳定性,同时保持高消光系数(128 mM-1 cm-1)和高荧光猝灭率(99.70±0.09%)。这些特异的光学性能使其在702 nm吸收光谱下拥有极强的特征性光声(PA)特性。当BODIPYsome进入癌细胞后,纳米结构会分解,从而离解出的aza-BODIPY-lipid会恢复其在660 nm吸收光下的高效荧光特性。活体实验证明了BODIPYsome在原位前列腺小鼠模型中具有良好的药代动力学和优异的肿瘤积累,并且实现了用光声成像(BODIPYsome在702 nm波长激发下)和荧光成像(解离后的aza-BODIP-lipid 在660 nm波长激发下)观察了静脉注射后24小时内BODIPYsome在小鼠肿瘤中的行为:BODIPYsome的积累和逐渐分解的过程。稳定的J-聚集 BODIPYsomes的研制成功为开发非卟啉类的多功能纳米骨架模块开辟了新的思路,也为光学稳定的生物光子多模态探针的设计打开了新的大门。 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): Stable J-aggregation of an aza-BODIPY-lipid in a liposome for optical cancer imaging Miffy H.Y. Cheng, Kara M. Harmatys, Danielle Charron, juan Chen, Gang Zheng Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201907754 (本稿件来自Wiley)

来源: X-MOL 2019-08-22

收集全天候海浪能量的扁球状摩擦纳米发电机

在众多形式的能源中,海洋蓝色能源因其涵盖面积广总量大而成为最具潜力的能源之一。然而,一直以来缺乏经济高效的采集技术制约着蓝色能源的开采和发展。新兴的摩擦纳米发电机(TENG)以收集周边环境机械能见长,其基于静电感应和摩擦起电效应,有别于传统电磁发电机,具有重量轻、低成本,特别适合收集海水表面低频机械能。过去几年间,向蓝色能源进军成为了摩擦纳米发电机重要的发展方向,吸引着越来越多的科研机构和人员投身其中。然而,要想让摩擦纳米发电机阵列达到产业化所应具备的高效和稳定,仍然有很长的路要走。 最近,美国佐治亚理工学院王中林院士(点击查看介绍)课题组与重庆大学胡陈果教授(点击查看介绍)课题组合作,首次提出了扁球外壳的摩擦纳米发电机,其扁球外壳内包含着两个原创发电机单元,针对两种海况而设计,是一种收集全天候海洋蓝色能源的新策略。如图左侧,上层发电机由三个基于弹簧钢片的拱形单元和其上的铁饼组成,拱形钢片起到弹簧和电极的双重作用,恰好支撑起铁饼重量,免除了弹簧等构件的使用,具有体积小低成本的优势。下层发电机由两辐射状的薄膜和钢珠组成,钢珠的来回滚动可使两镀铜薄膜接触分离而输出电能。 为凸显扁球壳相对于球壳的优势,研究人员计算了钢珠在扁球壳和同腰围的球壳在倾斜不同角度下偏离中心的距离,以及其所能覆盖的底部面积,如图右侧所示,其中蓝色线条和色块表示球壳的数据,其他颜色表示不同高度扁球壳的数据。扁球壳和球壳均偏转相同角度下,在扁球壳内的钢珠滚动到最低点处偏离中心的弧长更长,运动更显著,响应也就更灵敏。在相同倾斜角度下,钢珠到达最低点绕轴旋转一周所围绕的弧面面积也越大。由此,在小海浪的冲击下,扁球壳中的物体运动更明显,也就能让更多的摩擦层接触分离,所制作的发电机输出性能也更高,从而更能有效利用微小海浪能量。而对于大海浪而言,扁球状发电机依靠专门设计的上层发电机,其具有高输出的特点,由此明确分工,各有所长。 对扁球壳而言,发生偏转后,其重心在其弧面的帮助下可形成一个回复力矩,驱使扁球壳回到起始水平状态,从而拥有其他形状外壳无可比拟的自回复稳定性,有着节省固定材料的优势。此外,扁球外壳的采用还赋予了下层发电机高响应的特点。研究人员探究了两层发电机工作原理和输出性能,最大可获得开路电压281 V,短路电流76 µA和半周期转移电荷量270 nC。此外,还在水上测试了输出性能,基本与实验数据吻合,并实现了为电容器充电。所提出的扁球状外壳和双层发电机的策略为未来摩擦纳米发电机收集全天候蓝色能源提供了新结构和新思路,有望成为未来蓝能发电机外壳设计中的重要选择。 相关工作发表在Advanced Energy Materials 上。博士生刘官林、郭恒宇博士、徐思行为共同第一作者,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、重庆大学物理学院胡陈果教授为论文的共同通讯作者。 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): Oblate Spheroidal Triboelectric Nanogenerator for All-Weather Blue Energy Harvesting Guanlin Liu, Hengyu Guo, Sixing Xu, Chenguo Hu, Zhong Lin Wang Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1900801, DOI: 10.1002/aenm.201900801 导师介绍 王中林 https://www.x-mol.com/university/faculty/26757 胡陈果 https://www.x-mol.com/university/faculty/69078

来源: X-MOL 2019-08-22

pH刺激形貌和光学双重响应的发光金纳米粒子组装体及其细胞内成像

超小发光金纳米粒子(AuNPs,d < 3 nm)具有可调的光学性质,同时具有纳米毒性低和体内滞留少的特点,使其在生物医学领域具有较好的应用前景。相比于大尺寸的AuNPs,超小AuNPs与细胞的相互作用比较弱,难以到达特定的亚细胞器,因而限制了其在细胞内成像、定位和追踪等领域的研究。因此,发展新型的组装策略以提高超小发光AuNPs与细胞的相互作用及其在特定亚细胞器内的光学响应性能具有重要的研究意义。 最近,华南理工大学刘锦斌教授(点击查看介绍)课题组以一种常见阳离子聚合物壳聚糖为模板分子制备出具有pH依赖型结构溶胀特性和高灵敏荧光响应的AuNPs组装体。相比于以强阳离子聚合物PEI为模板形成的组装体,这种以等电点为~6.5的壳聚糖为模板进行静电自组装所得到的组装体AuNPs@CS具有灵敏的pH形貌和光学双重响应特性。当pH < 6.5时,AuNPs@CS组装体以球形紧密堆积的状态存在,其粒径为~23.5 nm,组装后其荧光量子产率提高了3倍;当pH > 7.4时, AuNPs@CS组装体发生形貌溶胀且伴随灵敏的荧光减弱响应。 这种静电自组装有效地增强了细胞对超小发光AuNPs的摄取能力,相比于组装前的纳米粒子,细胞对AuNPs@CS组装体的摄取量提高了15倍。此外,在溶酶体中(pH < 6.5)AuNPs@CS组装体荧光增强且表面电荷由负转变为正,可促进纳米粒子实现溶酶体逃逸进入细胞质(pH ~7.4)并伴随着灵敏的光学响应。这种灵敏的光学响应特性可以清楚地指示AuNPs的细胞内吞及其溶酶体逃逸过程。因此,该组装策略可以更好地帮助理解细胞与功能纳米粒子的相互作用,为设计新型具有高效溶酶体逃逸与高灵敏细胞内亚细胞器定位追踪的智能响应型组装材料提供了一种思路。 这一成果近期发表在Analytical Chemistry上,文章第一作者为华南理工大学博士研究生朱佳仪,通讯作者为华南理工大学刘锦斌教授。 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): Self-Assembly of Luminescent Gold Nanoparticles with Sensitive pH-Stimulated Structure Transformation and Emission Response toward Lysosome Escape and Intracellular Imaging Jiayi Zhu, Kui He, Zhiyi Dai, Lingshan Gong, Tingyao Zhou, Huarun Liang, Jinbin Liu* Anal. Chem., 2019, 91, 8237-8243. DOI: 10.1021/acs.analchem.9b00877 导师介绍 刘锦斌 https://www.x-mol.com/groups/jinbinliu

来源: X-MOL 2019-08-22

p-n结增强氧析出反应电催化活性

由于气候变化和化石燃料的日益枯竭,现代社会正逐渐地从化石燃料经济演变为清洁能源经济,能将电转换成具有高能量密度的化学物质——氢气的电化学能量转换和储存系统亟待被开发。电解水被认为是一种很具前景的策略,因为其原料是水,是一种丰富的氢源,可以说,它为以可持续方式生产氢气提供了希望。不幸的是,改法受限于水氧化半反应(OER)——一种动力学迟钝的四电子步骤。因此,开发高效、廉价的OER电催化剂越来越受到学术界和产业界的关注。 最近,催化剂活性位点的电子结构和荷电状态的调控等已被证实是提高材料催化活性的有效手段。基于半导体物理,当两种费米能级不同的半导体接触时,载流子会自发地在半导体间流动,直至达到热力学平衡状态。在半导体结的界面处,由于载流子的流动会形成两个荷电相反的空间电荷区,产生相应的内建电场和整流效应。长期以来半导体的这一特性被广泛应用于二极管、晶体场效应管等多种电子元器件,成为信息技术的基石;半导体结的内建电场也被广泛应用于光生载流子的分离,如太阳能电池和光催化体系等。与此同时,空间电荷区也可用于调控催化剂界面处的电子分布,改变活性位点的电子结构和荷电状态,进而提高催化活性。 图1. a)FeNi-LDH/CoP/CC合成过程示意图;b)FeNi-LDH/CoP半导体p-n结的扫描电镜图;c)FeNi-LDH/CoP半导体p-n结提高电催化氧析出反应机理。 上海交通大学的钱雪峰教授(点击查看介绍)和宰建陶副教授(点击查看介绍)团队在柔性碳布上设计并构筑了由p型CoP阵列和n型FeNi-LDH纳米片组成的半导体p-n结(FeNi-LDH/CoP/CC)。该工作首先利用电化学测试和紫外-可见吸收光谱等手段,确定了FeNi-LDH/CoP半导体p-n结的能级结构。并进一步利用XPS和EELs光谱证实了半导体p-n结的界面处发生了电子转移,使得p型半导体CoP一侧荷负电荷,而n型半导体FeNi-LDH一侧呈正电状态。之后,将FeNi-LDH/CoP半导体p-n结自支撑电极直接应用于碱性条件下的电催化氧析出反应测试,发现该异质结表现优异的催化活性,在1.485 V(vs RHE)的偏压下,其电流密度(370 mA•cm-2)是FeNi-LDH(35.2mA•cm-2)的~10倍和CoP(3.66 mA•cm-2)的~100倍,而塔菲尔斜率仅为33.5 mV•dec-1。密度泛函理论(DFT)第一性原理计算和不同pH条件下的电催化实验结果表明该半导体p-n结中带正电的n型半导体FeNi-LDH可以促进OH-的吸附,提高其对OER的催化活性。该工作将半导体物理的基本理论与催化化学相结合,利用半导体p-n结空间电荷区构建催化活性中心、调节活性位点电子结构的策略,为高效催化剂的设计和构建提供了一个全新的思路。 相关研究成果发表在近期的Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是上海交通大学博士研究生何凯,通讯作者为上海交通大学钱雪峰教授和宰建陶副教授。 (部分内容引用自《物理化学学报》对该文章的highlight报道,DOI: 10.3866/PKU.WHXB201906081) 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): Utilizing the Space-Charge Region of the FeNi-LDH/CoP p-n Junction to Promote Performance in Oxygen Evolution Electrocatalysis Kai He, Tsegaye Tadesse Tsega, Xi Liu, Jiantao Zai, Xin-Hao Li, Xuejiao Liu, Wenhao Li, Nazakat Ali, Xuefeng Qian Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 11903-11909, DOI: 10.1002/anie.201905281 导师介绍 钱雪峰 https://www.x-mol.com/university/faculty/12614 宰建陶 https://www.x-mol.com/university/faculty/12649

来源: X-MOL 2019-08-22

钴催化的环丙烯对映选择性氢烯基化反应

乙烯基环丙烷作为一类十分重要的合成子,被广泛应用于许多的有机反应中,例如各种重排反应,过渡金属催化的高分子聚合反应等等。除此之外,这样的一种手性的带有烯烃官能团的三元环结构,在许多生物活性分子(例如Acrinathrin Insecticide)以及天然产物中也大量存在。因此,如何利用催化手段,高效便捷地得到具有高非对映选择性以及对映选择性的烯基环丙烷分子骨架就显得尤为重要。比较传统的利用不对称催化策略构建该类分子,通常是使用金属卡宾对二烯的加成或者通过共轭加成与环化反应串联来实现的,其他的经典方法像Simmons-Smith 反应等已发展的较为成熟。然而,上述方法所存在的普遍问题是往往需要反应物中带有特殊的官能团,这在很大程度上限制了该类反应的底物适用性。 近年来,中国科学院上海有机化学研究所孟繁柯(点击查看介绍)课题组一直致力于发展一种经济、廉价而且通用的钴催化方法学,考虑到烯基硼酸是一种易于制备的起始原料,他们将两者结合起来,进而实现环丙烯的选择性氢烯基化反应。相关工作近期发表于Angew. Chem. Int. Ed. 杂志。 该课题组认为实现上述策略所面临的挑战主要有两点:其一,烯基硼试剂相比于烯基金属试剂活性要大大降低;其二,在高温条件下,如何控制该反应高选择性。为解决上述问题,作者首先以3,3-双取代环丙烯1a和烯基硼酸2a作为模板底物对反应条件进行了初步的尝试,发现虽然仅有富电子烷基膦配体4g 和4h 能够促进该反应的发生,但是幸运的是非对映选择性和对映选择性控制的都非常良好。一个十分有趣的现象是,发现在投入反应之后静置1小时后再对反应进行加热,能够显著提高反应效率。 Table 1. Optimization of reaction conditions [a] Yield of isolated product. [b] Determined by analysis of 1H NMR spectra of unpurified mixtures. [c] Determined by analysis of HPLC spectra. [d] Not available, no reaction occurred under these conditions. 值得一提的是,对于像5u、5v、5w和5x类型的硼酸底物,反应依然可以得到较高的收率和选择性,这在已有报道的反应中是无法得到的,这在一定程度上也体现了作者所发展方法学的优势所在。 Scheme 2. Scope of cyclopropanes. [a] dr was determined by analysis of 1H NMR spectra of unpurified mixtures; er was determined by analysis of HPLC spectra. [b] The reaction time was 20 hours. [c] 99:1 er for both diastereomers Scheme 3. Scope of alkenylboronic acids. [a] dr was determined by analysis of 1H NMR spectra of unpurified mixtures; er was determined by analysis of HPLC spectra. 最后作者对该反应产物进行了衍生化以及机理研究。初步的机理研究表明:第一,该氢烯基化反应的氢质子很可能完全来自于硼酸,而非外界引入的质子源;第二,反应加成之后形成的手性碳钴键,不会在后续反应中发生异构化,而是保持严格的立体专一性;第三:相反应中投入2当量3:1的氘代硼酸混合物,能够得到25%的氘代产物,表明反应中硼酸氢氧键的断裂很可能是反应的决速步。 Scheme 4. Preliminary mechanistic studies 总结 孟繁柯课题组发展了首例钴催化的3,3-双取代环丙烯对映选择性氢烯基化反应,该反应无论对于衍生化环丙烯还是硼酸类型底物均具备十分良好的适用性。基于此方法,可以利用地球上含量丰富的廉价金属盐和商用手性化合物,高效便捷的构建一系列含有手性烯基官能团的三元环丙烷类化合物。进一步的机理研究,以及通过原位形成手性碳钴键的方法构建手性碳碳键的工作,正在不断的探索之中。 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): Cobalt‐Catalyzed Diastereo‐ and Enantioselective Hydroalkenylation of Cyclopropenes with Alkenylboronic Acids Haiyan Zhang, Wei Huang, Tongtong Wang, Fanke Meng Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 11049-11053, DOI: 10.1002/anie.201904994 导师介绍 孟繁柯 https://www.x-mol.com/university/faculty/46702

来源: X-MOL 2019-08-22

我们距离自动化从头药物设计还有多远?

提到新药研发,大家不免都有这种印象:投资高、时间长、风险大。虽然药物设计和筛选技术一直在进步,但疾病是复杂的,即使研发的药物过五关斩六将成功上市,但还要面临不良反应、市场销售、国家政策等诸多未知因素的考验。其实要解决这些问题也不是没有办法,那就是多设计几个足够优秀的候选药物。 药物化学领域的读者估计这会儿心里一定在不屑地说,“你说的容易”!的确,发现一个能上临床试验的药物,就已经要感谢运气爆棚了(点击阅读:药物化学家一生发现新药的几率有多大?),遑论好几个好用又好卖的“重磅新药”? 不过,随着X-射线衍射、NMR、电子显微镜等技术的快速发展,靶蛋白的结构参数逐渐明晰。另一方面,计算性能的大幅提升和硬件价格的降低,使得计算机辅助药物设计工具成为科学家不可或缺的帮手。现在各种计算机算法已经可以进行虚拟筛选或直接给出新分子结构,并帮助科学家优化苗头化合物的成药性及理化性质。那么现在计算机能不能如AlphaGo那种人工智能那样,给它一个化学结构自动从头设计药物分子呢?现在药物研发圈里的人工智能、机器学习等热门话题又进展如何? 基于结构的药物虚拟筛选。图片来源于网络 在药物设计领域,计算机程序在上世纪已经辅助研究人员开发了一些药物。最常见的方法是以某个已知结构的蛋白为靶点利用分子对接等虚拟筛选技术在海量化学结构中找到那个苗头化合物(hit compound)。除此之外,还有一些基于小分子化学结构的药物设计程序,比如从头药物设计(de novo design)程序。近期,苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的Gisbert Schneider博士(点击查看介绍)等人总结近几年自动从头药物设计的文献并详细列举了10个药物靶标案例以便读者能够纵览全局或者了解前沿方向。相关论文发表在Angew. Chem. Int. Ed. 杂志上。 Gisbert Schneider博士。图片来源:ETH Zürich 1. β分泌酶抑制剂 BACE-1是神经退行性疾病的靶标之一,但成药性颇具挑战。Fishwick等报道了基于蛋白结构的从头药物设计程序SPROUT,设计了非多肽结构的ß分泌酶BACE-1抑制剂(J. Med. Chem., 2013, 56, 1843)。通过BACE-1和类多肽配体的复合物X-射线结构,SPROUT解析了关键活性位点,并设计了最初的化合物1。合成化合物1后并测试它的生物活性,发现它的活性较弱(IC50 = 323 μM)。结构优化后得到化合物2,它的活性中等(IC50 = 27 μM)。这个案例证实了基于自动结构设计得到可合成化合物作用于靶标的可行性。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 2. Aurora A激酶A抑制剂 VX-680是 pan-Aurora激酶抑制剂,具有很高的抗Aurora活性(Ki = 0.6 nM),在临床试验中,因QT间期延长的心脏问题而被终止。Rodrigues等通过基于配体的从头药物设计程序DOGS(Design Of Genuine Structures),希望设计一个全新的化学骨架(Chem. Sci., 2013, 4, 1229),具有和VX-680相似的活性,但避免诱发心脏问题,同时突破围绕这一结构的知识产权限制。DOGS程序基于88个骨架,产生了172个化学结构。因芳香磺酰胺结构片段在打分系统中得高分的情况较多,而且化学合成可行性较高,相应的化合物3和4被筛选出来进行合成。DOGS另一个优势是它可以设计合成路线,设计算法来源于化学转化规则。体外实验发现,100 μM的3仅能抑制5%的Aurora A。4的活性为IC50 = 10 μM,适合从苗头化合物到先导化合物的优化。3和4活性的巨大差异很可能来自咪唑结构片段。在此指导下,他们通过优化得到了化合物5(IC50 = 2.7 μM)。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 从这个案例中可以看到以下三点:(1)化合物5的结构已经于初始的VX-680截然不同,是全新的结构。(2)该程序仅需要一个抑制剂的结构就可以启动程序,甚至蛋白质结构都不需要,因此这套方法具有广泛的应用范围。(3)设计的化合物能够大多可以被合成出来并用于测试活性。 从Aurora A和抑制剂的复合物晶体结构开始,Park等用片段数据库中用基于结构的虚拟筛选找到了一个关键片段结构MPPA,他们的秘诀是自动对接,并且修改了打分功能(J. Chem. Inf. Model., 2018, 58, 700)。以铰链-结合部位为起始点,团队用LigBuilder聚焦于Aurora A的片段结构数据库利用从头药物设计手段设计新化合物,遵循药物设计中的类药5规则,最终挑选了35个化合物,合成了17个,活性最好的化合物为6(IC50 = 0.012 nM)。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 3. COX-2和LTA4H双重抑制剂 多重药理学近年来也得到关注,即一个化合物通过作用于1个以上的靶标达到治疗效果。Shang等使用从头药物设计程序LigBuilder设计作用于环氧化酶-2(COX-2)/5-脂质氧化酶(5-LOX)/白三烯A4水解酶(LTA4H)的化合物,以达到更好的抗炎症效果(J. Chem. Inf. Model., 2014, 54, 1235)。作者从这三个靶标已知抑制剂中提取片段结构,得到了21个化合物,然后在高浓度下(1 mM)进行活性测试得到9个苗头化合物。LigBuilder 程序对这些结构片段进行多种结合模式的计算,设计了110万个化合物,从中筛选出前1000个继续研究,最终合成了6个化合物,其中化合物7的活性最好,100 μM浓度下对COX-1和COX-2的抑制率为90%,LTA4H的抑制率为43%,从而进入第二轮从头药物设计,得到化合物8,第三轮得到化合物9。相比于COX1,化合物9对COX2有很好的选择性(约11倍)。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 4. 幽门螺杆菌HtrA抑制剂 幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)可导致胃/十二指肠溃疡甚至胃癌。丝氨酸蛋白酶致病因子HtrA(high temperature reguirement A)是幽门螺杆菌和其他致病菌的靶标,现在可用的化合物是罗丹宁衍生物10,但它存在活性弱、溶解度差、以及罗丹宁骨架自身的问题。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. Perna等人采用DOGS软件以10为起点(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 10244),设计了1707个化合物,通过溶解度结合三维结构进行筛选,选取了其中的65个化合物进行合成,化合物11最符合以下4项要求:溶解度和切合度排名靠前;没有Michael加成受体结构;与化合物10的结构区别很大;全新的化学结构类型。 经两步反应可合成11,它的亲和力和化合物10类似(KD = 37μM),但配体效率LE(ligand efficiency)更好。构型关系研究中,它的类似物12的活性最好(KD = 37 μM,LE = 0.3),并且都有体外抗幽门螺杆菌活性。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 5. DAPK3抑制剂片段类似物 死亡关联蛋白激酶3(DAPK3)是丝氨酸/苏氨酸激酶,可作为治疗高血压和平滑肌疾病的靶标。以法舒地尔Fasudil(IC50 = 1.2 μM)为起点,Schneider等人使用DOGS进行基于配体的从头药物设计(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 15079),构建了521个化合物,其中357个符合类似片段的标准。进一步基于机器学习算法的ChEMBL预测,选取了化合物13,其对DAPK3的抑制浓度为52 μM,但它的配体效率较高(LE = 0.4),在27种激酶中的选择性很好,与法舒地尔的结构相差也很大,但它是已知化合物阿佐塞米Azosemide(IC50 = 2.1 μM)的亚结构,这也从侧面说明从头药物设计策略得到的化合物具有再优化的潜力。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 6. 选择性MMP-2抑制剂 基质金属蛋白酶2(MMP-2)和MMP-9类似,要开发选择性的抑制剂并不简单。Adhikari等用Bayesian模型从MMP-2/MMP-9抑制剂中筛选出选择性作用于MMP-2的结构片段(Bioorg. Med. Chem., 2016, 24, 4291),从中组合得到化合物14。化合物14对MMP-2的IC50 为0.9 μM,相比于MMP-9具有8倍的选择性。将14和MMP-2结构对接,用从头药物设计程序LUDI进行基于片段的结构优化,从而得到众多衍生物,其中化合物15对MMP-2的IC50 = 24 nM,选择性提高至21倍。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 7. TRPM8 拮抗剂 来自大戟科植物毒叶下珠(Phyllanthus engleri)的天然产物(-)-Englerin A(化合物16)具有抗细胞增殖的作用,可以通过选择性激活瞬时受体电位钙离子通道(transient receptor potential canonical 4/5 calcium channels)杀死肾癌细胞,但它的急性毒性较大,不适合作为药物。Friedrich等人用DOGS软件以Englerin A为模板进行设计(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 6789),然后用CATS近似度打分,选出化合物17和18,尽管结构仍然复杂,但可以化学合成,进一步简化为化合物19和20。它们对TRPM8亚型的活性较好(KB = 1.4 μM和0.2 μM),但高浓度10 μM下不会抑制TRPV1钙离子通道,而且不具有细胞毒性。药效学研究发现,化合物20的S构型活性更好,呋喃环可以进行结构衍生,后续得到的化合物中,仅有一个能够阻断离子通道,没有化合物的活性高于20,这说明软件可以模拟天然产物进行结构简化得到高活性化合物。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 8. β2-肾上腺素能受体拮抗剂 Chevillard用GVM (Growing via merging )流程设计β2-肾上腺素能受体拮抗剂(J. Med. Chem., 2018, 61, 1118)。以5个确定的核心片段开始,SEED程序将核心片段和还原胺化试剂组合得到新结构。再将得到的新结构与β2-肾上腺素能受体再次重新对接,从中选出了8个化合物进行合成,其中化合物21的活性最好,为最初活性片段的40倍,并且保留了很好的配体效率。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 9. 维生素A酸 X 和过氧化物酶体增殖物激活受体激动剂 Schneider等用“generative artificial intelligence“设计具有期望生物活性的类药化合物(Mol. Inf., 2018, 37, 1700153)。这套模式通过类神经网路从ChEMBL数据库的生物活性分子中学习化学结构。本案例中利用具有生物活性的25个脂肪酸类似化合物进行微调,作用于两种核受体,视黄醇类X受体(RXRs)和过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)。以常见于激动剂的羧酸为特殊片段,类神经网络生成了1000个结构全新的候选化合物,与25个训练化合物位于相同的化学空间,经过筛选最终选取了5个化合物进行合成。生物活性测试结果如下表所示,化合物活性大多在纳摩尔和微摩尔数量级上,符合苗头化合物的活性要求。这里注意的是,该程序设计出的化合物是可以合成的,而这正是以往从头药物设计程序的弱项。 人工智能策略设计的化合物结构及生物活性。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 随后,这个课题组还成功运用这个工具开发了基于天然产物缬草酸valerenic acid的PXR配体,得到化合物22,它能在低微摩尔浓度下激活所有的三个RXR亚基,发挥RXRβ的高转录激活效率。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 10. JAK3抑制剂 In Silico Medicine的一个科研小组应用新型的人工智能程序 “entangled conditional adversarial autoencoder (ECAAE)”设计了新颖的JAK3抑制剂(Mol. Pharm., 2018, 15, 4398)。他们从 ChEMBL数据库中筛选出作用于JAK3和JAK2的化合物,以望设计出只作用于JAK3 的分子。程序初始设计了30万个结构,通过分子对接和理化性质计算,筛选出5000个结构,然后进行分子动力学计算,最后药物化学家选出100个分子。其中化合物23被合成出来,体外测试发现它对JAK3的IC50 = 7 μM,分子量仅有318,而且对JAK2表现出一定的选择性(IC50 = 18 μM)。 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 基于以上案例,Gisbert Schneider博士等人对当前自动从头药物设计进行了如下总结: 1)目前的程序算法,可以设计出可合成的化合物,并且能够得到期望的高生物活性,这些化合物可以作为从苗头到先导化合物的起点。 2)目前从头药物设计流程还需要人工输入,包括分子对接和程序筛选。另一方面,化合物设计需要人工干预,使化合物更容易合成。 3)从头药物设计基于配体的虚拟筛选,即使仅仅知道一个已知配体结构,也可以将从头药物设计程序扩展到其他项目。很多案例证实了新设计的化合物结构和起点截然不同。 不断出现的人工智能也影响着药物化学家,那么以后的自动从头药物设计会向哪方面发展呢?Gisbert Schneider博士等人作了如下预测: 1)设计结构程序可以立刻启用,并且实时进行分子模拟,用户与AI互动增强。 2)设计的绝大多数分子结构是可合成的,额外的AI负责逆合成分析,设计合成路线。 3)可以在线从最新的活性数据中学习,并且始终自动优化预测精确度。 4)在分子设计的循环中,学习功能激活,能够在合成结构和测试上给出最优的建议。 如今,人工智能已经渗入到科技和生活的各个领域,深度参与药物设计也是大势所趋。科技的进步和人类的期望密不可分。那么,你理想中的人工智能药物发现是什么样子呢?评论区里见! 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): Automated De Novo Drug Design: Are We Nearly There Yet? Gisbert Schneider, David E. Clark Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 10792-10803, DOI: 10.1002/anie.201814681 导师介绍 Gisbert Schneider https://www.x-mol.com/university/faculty/2777

来源: X-MOL 2019-08-21

乙醛——甲醇制烃反应中的助推器!

自十九世纪 70 年代以来,作为替代传统石油路线制烃的甲醇制烃(MTH)技术得到了国内外研究者的广泛关注。近年来,我国在MTH领域的发展,尤其是工业应用推广方面也取得了举世瞩目的成绩。在基础研究方面,虽然稳态反应阶段的间接机理(即,烃池机理)已形成基本共识,但MTH反应诱导期的第一个C-C键的形成及转化过程一直是C1化学中极具挑战性和争议性的课题。 南开大学关乃佳教授(点击查看介绍)课题组从2003年起开展MTH反应的基础研究工作,尤其在甲醇制低碳烯烃(MTO)的反应机理及催化剂优化设计方面取得了系列研究成果。该团队成员曾首次利用NH3探针分子及高速魔角旋转固体核磁手段实现了MTO稳态反应过程B酸与苯基碳正离子的双定量表征,并结合脉冲梯度场固体核磁技术对MTO反应的失活机理进行研究(ChemCatChem, 2011, 3, 1130; ACS Catal., 2011, 1, 292; J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 2469; ACS Catal., 2013, 3, 588; J. Catal, 2014, 314, 10)。在此基础上,研究团队还借助多种谱学联用技术及理论计算模拟的方法给出了MTO反应中“双循环机理”的直接实验证据,并通过调控“双循环机理”比例的方式大大提高了甲醇制烃(包括MTO,MTG以及MTA)反应中催化剂的寿命,完成了催化剂的优化与设计(Catal Sci Technol., 2014, 4, 688; ACS Catal., 2015, 5, 317; J Phys Chem C, 2015, 119, 2637; Catal Sci Technol., 2017, 7, 607; ACS Catal., 2018, 8, 8578)。 近期,该团队利用原位谱学表征、动力学分析与理论计算相结合的方法,首次确定了MTH反应中乙醛作为初始的C-C键活性物种的引擎作用,并详细探究了乙醛的形成及引发后续的间接反应的过程,进而建立了MTH反应的整个机理网络示意图。他们首先通过甲醇的 TPSR 结果证明了MTH反应的初始阶段有乙醛生成,并且乙醛的出现会伴有乙烯和丙烯的生成。此外,他们还通过共进料CO的方法,确定乙醛的生成与CO和H2有紧密的联系。即,CO的共进料会迅速消耗反应体系中生成的 H2,并伴有乙醛的生成。13C MAS NMR 的手段进一步证明了乙醛的生成路径,即MTH诱导期分子筛表面生成的甲氧基物种(SMS)会与反应体系中生成的CO发生羰基化反应生成乙酰基(CH3CO-Z),乙酰基进一步与体系中生成的氢气反应生成乙醛。 随后,他们还通过共进料实验以及原位紫外、原位红外和气质联用等多种表征方式确定了乙醛在MTH诱导期的转化过程,进一步确定了乙醛在MTH反应中的诱导作用。基于此,提出了MTH反应的路线图。即,表面甲氧基物种(SMS)与CO在分子筛的B酸位上发生羰基化反应形成表面乙酰基中间体(CH3CO-Z);乙酰基中间体加氢生成乙醛;乙醛缩合生成长链或环状不饱和醛酮;不饱和醛酮通过进一步反应生成长链烯烃或芳烃,进而诱导MTH反应的双循环机理。 这一成果近期发表在ACS Catalysis 上,文章的第一作者是南开大学博士研究生杨柳。 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): Role of Acetaldehyde in the Roadmap from Initial Carbon–Carbon Bonds to Hydrocarbons during Methanol Conversion Liu Yang, Tingting Yan, Chuanming Wang, Weili Dai, Guangjun Wu, Michael Hunger,Weibin Fan, Zaiku Xie, Naijia Guan, Landong Li ACS Catal., 2019, 9, 6491-6501, DOI: 10.1021/acscatal.9b00641 李兰冬研究员简介 李兰冬,南开大学材料科学与工程学院研究员,博士生导师。主要从事分子筛催化的研究工作。在分子筛活性位点构筑、分子筛催化反应机理、分子筛工业催化应用等方面取得系统性研究成果。曾入选教育部新世纪优秀人才支持计划、天津市 131 创新型人才培养工程(第一层次),获国家优秀青年科学基金、天津市杰出青年科学基金资助,获天津市自然科学一等奖、天津青年五四奖章。 李兰冬 https://www.x-mol.com/university/faculty/11856 课题组主页 http://guan.nankai.edu.cn/ 戴卫理副研究员简介 戴卫理,南开大学材料科学与工程学院副研究员,博士生导师。主要从事分子筛催化反应的研究工作,在低碳醇催化转化反应机理及催化剂设计方面取得系统性研究成果。曾入选天津市创新人才推进计划-青年科技优秀人才,天津市 131 创新型人才培养工程(第三层次),南开大学百名青年学科带头人培养计划,获得中国催化新秀奖。担任 Chinese Journal of Catalysis 青年编委。 戴卫理 https://www.x-mol.com/university/faculty/41772 课题组主页 http://guan.nankai.edu.cn/

来源: X-MOL 2019-08-21

Angew. Chem.:利用手性P,S配体和氢键作用实现反电子需求的钯催化不对称[4+2]环加成反应

钯催化的偶极环加成反应是一类构筑环状分子的重要方法。原位产生的含钯偶极中间体通常用于与缺电子物种的分子间亲核加成/分子内烯丙基化串联过程,即形式上的环加成反应,从而实现诸多碳杂环化合物的多样性合成。原理上,这类含钯的偶极中间体还有可能与富电子物种发生串联的分子间烯丙基化/分子内环化过程,即形式上的反电子需求的环加成反应。但是,由于钯催化的分子间烯丙基化一般倾向于直链选择性,再加上手性配体的缺失,导致这类反电子需求的环加成反应研究相对较少。因此,如何通过开发有效的手性配体以及区域选择性控制策略,成为促进钯催化的偶极环加成反应这一研究领域进一步发展的关键。 华中师范大学的肖文精教授(点击查看介绍)和陆良秋教授(点击查看介绍)研究团队一直致力于过渡金属催化的偶极环加成反应研究。前期,他们发展了一类手性的P,S配体(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2200-2204; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 14707-14713),在钯催化的、与Michael受体、烯酮等缺电子物种的偶极环加成反应中取得较好的效果。最近,该研究团队通过对这类配体的结构改造,利用氢键导向作用在温和条件下实现了两类反电子需求的钯催化不对称脱羧[4+2]环加成反应。在这些反应中,乙烯基苯并嗪酮在钯催化下脱羧产生含钯的1,4-偶极中间体,该中间体的氮负离子与α-当归内酯或甘氨酸衍生的吖内酯之间可能存在质子转移与氢键作用,从而诱导了钯催化烯丙基化的支链选择性以及α-当归内酯羰基α位反应的选择性。最终,作者通过一步操作,高效、高立体选择性地合成一系列高度官能化的手性四氢喹啉酮类化合物。 与此同时,该研究团队通过与郑州大学的蓝宇教授合作,利用密度泛函理论(DFT)计算研究了乙烯基苯并嗪酮与α-当归内酯偶极环加成反应的整个历程。同时,作者也阐明了这类新型手性P,S配体的手性诱导原理与氢键对诱导烯丙基化一步区域选择性的重要作用。 相关研究成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,实验部分由华中师范大学博士研究生王娅妮、硕士研究生张群亮和王莹同学完成,理论计算部分工作由重庆大学硕士生熊钦同学完成。 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): Inverse‐Electron‐Demand Palladium‐Catalyzed Asymmetric [4+2] Cycloadditions Enabled by Chiral P,S‐Ligand and Hydrogen Bonding Ya-Ni Wang, Qin Xiong, Liang-Qiu Lu*, Qun-Liang Zhang, Ying Wang, Yu Lan*, Wen-Jing Xiao* Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 11013-11017, DOI: 10.1002/anie.201905993 导师介绍 肖文精 https://www.x-mol.com/university/faculty/10793 陆良秋 https://www.x-mol.com/university/faculty/10803

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Angew. Chem.:在多通道碳纳米基质上构建氧化铋纳米片用于电催化二氧化碳还原制甲酸

电催化二氧化碳还原反应(CO2RR)与可再生能源相结合是缓解温室气体效应最具前景的方法之一。但受限于CO2的热力学稳定性、多电子传递动力学以及氢析出反应,CO2RR在很多催化剂上很难同时获得高的催化活性和选择性。最新研究表明,储量丰富的半导体材料在CO2RR中具有巨大的发展潜力。其中,铋系材料由于其本身具有较高的甲酸选择性被认为是较好的产甲酸催化剂,并且通过调整粒度和构型可进一步提高其对甲酸的选择性。同时,甲酸由于其具有便携、稳定和高容量的特点,已成为一种极具吸引力的储氢介质和直接燃料电池原料。但一些关键性问题仍亟待解决。例如,诸多已知催化剂无明确的形貌和结构,无法明确地为CO2RR材料的进一步优化提供指导。同时,已有半导体材料仍无法同时满足CO2RR的大电流密度、低过电位和高选择性等要求。因此,非常有必要进一步探索并制备能够驱使CO2向目标产物高效转化的催化剂,并使其在较低过电位下达到较高的电催化活性和选择性。 普遍认为,成为具有高电化学活性半导体材料的先决条件主要取决于活性位点的可及性、催化剂载体的电子转移能力、催化剂的导电性和催化剂固有的本征反应活性。电化学活性位点的可及性可通过调节纳米材料的尺寸和结构实现,而电子转移能力可通过在导电载体上原位生长纳米催化剂来改善。因此,在导电载体上原位生产高活性的催化剂不仅能够保证CO2RR具有足够的活性位点,抑制活性位点的团聚,还能降低了催化剂与导电载体的接触电阻。同时我们的研究表明,中空结构的导电载体有利于提高CO2吸附能力,这意味着其可提高催化剂局部的CO2浓度。因此,在纳米结构的中空载体上制备具有特定构型的电活性半导电材料,可一定程度地解决水介质中CO2溶解度低的问题,并获得高的CO2RR电催化性能和选择性。 新加坡南洋理工大学的楼雄文教授(点击查看介绍)课题组报道了一种在多通道碳基质上均匀生长层级氧化铋纳米片的催化剂(Bi2O3NSs@MCCM),并将其用于CO2RR,实现了甲酸的高效制备。研究发现,Bi2O3NSs@MCCM在1.15 V过电位下电流密度能够达到17.7 mA cm-2,在较宽电位窗口下(–1.056到 −1.356 V vs. RHE)对甲酸具有接近90%的高选择性,并在-1.256 V达到最大值93.8%。此外,该催化剂在0.846 V的过电位下达到最大能量效率55.3%,并在12小时的长期稳定性测试中保持较好的稳定性。这种优越的性能主要归功于交织的多通道碳基质和层级的氧化铋纳米片的协同作用,其中多通道碳基质具有良好的电子转移能力、增强的CO2吸附能力和高比例的吡咯氮和吡啶氮,而超薄的氧化铋纳米片提供了丰富的活性位点和低的功函数。 图1. 多通道碳纳米基质上构建氧化铋纳米片的合成示意图。 图 2. Bi2O3NSs@MCCM的结构与组成表征: a-c) FESEM images of the Bi2O3NSs@MCCM with different scales; d) low-resolution TEM image of the Bi2O3NSs@MCCM showing the multiple channel structure; e) low- and f) high-resolution STEM images of the Bi2O3NSs@MCCM; g) the enlarged square area in (f) showing the crystal lattice and h) the corresponding SAED pattern of the Bi2O3NSs@MCCM; i) HAADF-STEM image and the corresponding EDX elemental j) line scan and k, l) mapping profiles of the Bi2O3NSs@MCCM. 图 3. Bi2O3NSs@MCCM的电化学性能测试与产物检测:a) Cathodic LSV curves of the Bi2O3NSs@MCCM, Bi2O3NSs@SCM, Bi2O3NSs/MCCM, MCCM and GCE in 0.1 M CO2-saturated KHCO3; b) FE of all products over the Bi2O3NSs@MCCM; c) FE of HCOOH and d) j(HCOOH) of the Bi2O3NSs@MCCM, Bi2O3NSs@SCM, Bi2O3NSs/MCCM and MCCM. 图 4. Bi2O3NSs@MCCM的电化学性能分析:a) Tafel plot of the Bi2O3NSs@MCCM for HCOOH production, j(HCOOH) is the partial current density of forming HCOOH; b) η at 1.0 mA cm-2 and j0(HCOOH) over the Bi2O3NSs@MCCM; c) EE of the Bi2O3NSs@MCCM and d) long-term stability tests of the Bi2O3NSs@MCCM and MCCM. 图 5. Bi2O3NSs@MCCM性能提升的原因分析:a) CO2 adsorption isotherms of the Bi2O3NSs@MCCM, Bi2O3NSs, MCCM and SCM; b) UPS plots of the Bi2O3NSs@MCCM and Bi2O3NPs/MCCM; c) XPS results of Bi 4f over the Bi2O3NSs@MCCM and Bi2O3NPs and d) N 1s of the Bi2O3NSs@MCCM. 这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,第一作者是新加坡南洋理工大学的刘苏彪博士,通讯作者是楼雄文教授。 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): Bi2O3 Nanosheets Grown on Multi‐Channel Carbon Matrix Catalyze Efficient CO2 Electroreduction to HCOOH Subiao Liu, Xue Feng Lu, Jing Xiao, Xin Wang, Xiong Wen (David) Lou Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201907674 导师介绍 楼雄文 http://www.x-mol.com/university/faculty/35053 课题组主页 http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/ (本稿件来自Wiley)

来源: X-MOL 2019-08-21

聚糖结构高效质谱分析新方法

糖基化作为一种最常见的翻译后修饰,与人类的健康状况和疾病发生及发展密切相关。由于糖基生物合成是一个非模板化的非线性过程,聚糖结构的相当复杂,这使得聚糖的结构鉴定是一个巨大的挑战。 质谱分析(MS),特别是串联质谱与软电离相结合,已经成为聚糖结构分析的核心工具。然而,串联质谱需要额外的复杂硬件和额外的时间用于离子提取,使得结构分析效率较低。而基质辅助激光解吸离子化质谱(MALDI-MS)有快速、高通量和耐盐性等优点,但现有的技术的碎片化模式,主要是碰撞诱导解离,限制了其在糖类结构综合分析中的应用。 近日,南京大学化学化工学院生命分析国家重点实验室刘震教授(点击查看介绍)团队报道了一种称为“纳米金颗粒辅助源内阳离子加成解离 (AuNP-assisted isCAD)”的方法,直接用于聚糖结构的高效质谱解析。该方法的基本原理如图1所示,纳米金颗粒作为离子化介质,既可以作为电离的激光能量吸收剂,也可以作为阳离子源内加成反应的引发剂。残留在纳米金颗粒上或额外添加的钠离子,作为阳离子化试剂。分析物吸附在纳米金颗粒表面,在激光照射下,纳米金颗粒吸收光能,促进周围阳离子向糖类分子转移,形成钠离子加合物,在离子源内自发地裂解成碎片离子。而质子作为阳离子化试剂时,加入到样品基体中可以抑制碎片化。因此,通过简单地调节钠离子和质子的相对浓度,可以很容易地调节碎片化程度,从而获得全面的结构信息。 图1. 纳米金颗粒辅助源内阳离子加成解离质谱对糖类化合物进行结构鉴定的原理示意图 这种方法提供了一种简单、经济、可调节的碎片化方法,无需任何额外的硬件和离子提取,即可高效地对糖类进行MS结构分析。该方法适用于多种糖类(单糖、寡糖、O-聚糖、N-聚糖)的分析,因此,它为聚糖结构的高效MS解析提供了新的途径。 图2. AuNP-assisted isCAD-MS对M3N2 聚糖的结构解析 这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上,文章的第一作者是南京大学博士研究生贺晖,化学化工学院的刘震教授为论文的通讯作者。 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): Efficient Mass Spectrometric Dissection of Glycans via Gold Nanoparticle-Assisted in-Source Cation Adduction Dissociation Hui He, Yanrong Wen, Zhanchen Guo, Pengfei Li, Zhen Liu* Anal. Chem., 2019, 91, 8390-8397, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b01217 刘震教授简介 刘震,南京大学特聘教授,博士生导师,国家杰出青年基金获得者。1998年于中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。2000-2002年,日本兵库大学日本学术振兴会(JSPS)特别研究员;2002-2005年,加拿大滑铁卢大学博士后。2005年获聘南京大学教授,2006年起任博士生导师,2008年入选教育部“新世纪优秀人才”, 2011年-2014年任加拿大滑铁卢大学工程学院兼职教授,2014年获国家杰出青年科学基金,2016年入选江苏省“333高层次人才”(第二层次)。兼任国际分子印迹学会理事会理事、中国质谱学会常务理事、中国化学会质谱专业委员会委员、中国生物化学与分子生物学会蛋白质组学专业委员会委员、《Analytica Methods》副主编、《Analytica Chemica Acta》、《Electrophoresis》、《Separation Science Plus》、《科学通报》、《质谱学报》和《色谱》等杂志编委。主要从事分子识别、生物分离和疾病诊断分析等研究,主持国家重大科研仪器项目和基金委重点项目等国家级科研项目10余项,已在Chemical Society Review,Accounts of Chemical Research,Angewandte Chemie International Edition,Nature Protocols,Chemical Science等期刊上发表论文140余篇,主编及合著著作2部,出版专章7章,申请发明专利18项,获专利授权12项。2011年和2017年先后获中国分析测试协会科学技术奖一等奖共2次,2016年获Phenomenex & Analytical Scientist联合颁发的科学人文奖银奖。 刘震 https://www.x-mol.com/university/faculty/67633 课题组网址 http://hysz.nju.edu.cn/liuzhen/

来源: X-MOL 2019-08-21

魏展画&邢军JPCL:显示照明行业的新星——金属卤化物钙钛矿发光二极管

近年来,金属卤化物钙钛矿材料在光伏和电致发光领域都显示出了广阔的研究和应用前景。钙钛矿材料由于高的荧光量子效率 (PLQY)、带隙可调、原材料简单易得、可溶液法制备等特性,作为发光层用于制备发光二极管(LED)能满足新一代平面显示行业要求的兼具高亮度、高能量转换效率、高色纯度、体积小、质量轻和可制备柔性器件等特点。2014年剑桥大学Richard Friend教授课题组在Nature Nanotechnology 上首次报道了能在室温下工作的绿光和近红外光的钙钛矿LED器件,其外量子效率(EQE)仅为0.1%和0.76%。经过短短几年的迅猛发展,钙钛矿LED在近红外光、可见红光和绿光的EQE都超过了20%(图1),展现出了绝大的发展潜力。有鉴于此,华侨大学的魏展画教授和青岛科技大学的邢军教授在美国化学会 (ACS) 旗下物理化学领域的顶级学术期刊The Journal of Physical Chemistry Letters(影响因子8.709)发表题为“The Rise of Perovskite Light-Emitting Diodes” 的综述论文,对钙钛矿LED发展历史和现状做出了全面的总结,并对其未来发展方向和面临的挑战做出了深入的思考与前瞻性的展望。 图1. (a) 单层CsPbBr3, 叠层CsPbBr3/MABr和准核壳结构CsPbBr3&MABr钙钛矿薄膜示意图;(b) 准核壳结构CsPbBr3&MABr钙钛矿薄膜的TEM截面图;(c) 高效率器件的EQE−L曲线;(d) 亚微米结构提高光抽取示意图;(e) 在不同电流密度下的EQE和ECE曲线; (f) 电流密度和辐射与电压的关系曲线。 该综述首先介绍了钙钛矿LED的常见的器件结构主要有正式(p-i-n)和反式(n-i-p)两种,并列举了不同器件结构近年来的一些代表性工作。除此之外,作者分别对钙钛矿量子点LED、低维量子阱钙钛矿LED和三维薄膜钙钛矿LED展开讨论,列举了不同体系钙钛矿LED的一些重要工作,揭示了不同体系的钙钛矿材料的起源、合成、器件效率和稳定性提升的整个发展历程。最后,作者从钙钛矿LED器件效率的参考公式EQE = ηQE*γ*ηout出发,总结了进一步提升钙钛矿LED效率的一些可行的策略。在文章的结尾,作者指出虽然钙钛矿LED在短短几年就取得了巨大的研究进展,但是在发展的过程中仍然存在一些问题,如蓝光钙钛矿LED的研究相对滞后、钙钛矿材料中含有重金属铅、钙钛矿材料自身的环境稳定性差、工况下LED器件产生的焦耳热和离子迁移导致钙钛矿材料的降解。。作者相信,在研究人员的不断努力下,钙钛矿LED的这些问题都会得到很好的解决,并最终实现产业化,服务于人类社会。 相关工作得到了国家自然科学基金 (51802102)、华侨大学科学研究基金 (600005-Z16J0038) 和青岛科技大学启动基金 (010029046) 的支持。 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): The Rise of Perovskite Light-Emitting Diodes Zhanhua Wei, Jun Xing J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10, 3035-3042, DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b00277 研究团队简介 魏展画,华侨大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。2011年于厦门大学化学系取得学士学位,2015年于香港科技大学化学系取得博士学位,2015-2016年在新加坡南洋理工大学数理学院从事博士后研究,2016年7月加入华侨大学材料科学与工程学院,入选了福建省海外高层次B类引进人才计划。 研究方向主要有钙钛矿发光二极管(LED)、钙钛矿太阳能电池、钙钛矿激光器等。在钙钛矿太阳能电池及钙钛矿发光二极管领域内取得了多项创新成果,已在Nature、Angew. Chem. Int. Ed. Engl.、Energy & Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A、Nanoscale、Small等国际期刊上发表30余篇高水平论文,其中有6 篇为ESI高被引论文(ESI highly cited papers)。一些研究成果得到了《中国青年报》、《科技日报》、《新华日报》和福建省内的一些新闻媒体的报道和认可,被知社学术圈评选为“2018年中国新锐科技人物”,发表在Nature上论文被中国激光杂志社评选为“2018年中国光学十大进展”。担任Nature Photonics, Nature Nanotechnology, Nature Communications等国际期刊审稿人。 邢军,教授,青岛科技大学化学与分子工程学院。2014年于华东理工大学获得博士学位,2014-2019年在南洋理工大学Qihua Xiong和多伦多大学Edward H. Sargent教授课题组从事博士后研究。研究方向为无机半导体材料的开发与应用,在纳米光电材料与器件和光催化等研究领域取得了多项创新性成果。已在Nature,Nat. Commun.,Nano Lett., Angew. Chem. Int. Ed.,ACS Nano等国际期刊发表论文40余篇,总被引用2000余次。担任Joule, Nat. Commun., Sci. Adv.等国际期刊审稿人。

来源: X-MOL 2019-08-21

南京大学/美国德州理工大学李桂根团队发现全新手性——“三明治”排列特征的多面3D手性

南京大学/美国德州理工大学李桂根(点击查看介绍)团队报道了一种全新的多面3D手性(Multilayer 3D Chirality)。该手性具有“三明治”型排列特征:由三个几乎平行的层面组成,中间层面为中心层,其上方和下方各有一层,上下两个面相互依存,相互制约,以避免镜像异构体可能的异构化。多面3D手性分子和其前体化合物表现出了普通有机小分子极少具备的特征:形成长棒状或鸟巢型网状固体,同时表现出多种色彩的荧光和聚集诱导发光(AIE)性质,其中一些分子显示出超强的旋光特征。相关论文发表在Research 杂志上,共同第一作者为吴贯召(中美联合博后)、刘阳雪(德州理工大学博士生)和杨振(南京大学博士生)。该工作得到中国国家自然科学基金委和美国 Welch Foundation 的资助。 研究背景 手性广泛存在于自然界动植物的功能分子及其折叠的高级结构中,其中,在DNA/RNA和蛋白质的结构中多面手性有着充分的体现(图1)。此前,用多面手性分子来模拟或修饰DNA/RNA还未实现,这是因为此类有机小分子还未被设计和合成出来。手性在材料科学及其应用的研究中具有很重要的意义,例如液晶、偏振光、光电材料等。在现代生物医药中,手性在药物的设计和研发方面也起到了关键作用,经常需要通过控制药物分子的手性来控制药理作用、提高药用效率、减少和降低副人体反应。手性因其在生物、化学、材料和交叉学科中的特殊地位,一个多世纪以来一直受到科学界和社会大众的广泛关注。 图1. DNA/RNA和蛋白质中的多面手性 众所周知合成化学是中心学科之一,所有的非天然物质、天然产物的模拟和修饰都需要经过人工合成。而手性化学,尤其是不对称合成和不对称催化反应的研究已经成为化学中最为活跃的领域之一。文献中报道的手性可分为以下几类:中心手性、轴手性(主要基于诺奖成果BINAP)、螺旋手性、面手性(主要基于诺奖成果二茂铁)(图2)。在李桂根团队发表该Research 文章之前,学术界关于“三明治”排列特征的多面3D手性小分子的努力一直未获成功。稳定的多面3D手性在Research 上的发表,标志着第五类手性的诞生。初步结果表明,它有望领引出新的研究领域,并在未来的化学、医药和材料科学领域里产生广泛而深远的影响。与此同时,由此衍生出的多面3D手性和潜手性化合物和相关物质产品,也体现出了潜在的经济应用价值。 图2. 文献中手性的类型 研究进展 多面3D手性是李桂根团队在进行开发GAP化学(Group-Assisted Purification化学)项目过程中发现的。GAP化学是在反应底物中引入特殊的手性或非手性官能团来进行合成反应,由于此类官能团的存在,油状产物自动转变成固体;几乎所有的GAP固体产物的纯化,只需要在过滤漏斗中简单洗涤,从而避免了传统的色谱(使用大量的硅胶和溶剂)和重结晶纯化,让合成化学更加绿色环保。该团队已经成功利用GAP技术回收和循环使用有机催化剂,同时发现GAP官能团还能够提高反应产率,尤其是在实现多肽产品的定量或接近定量合成中。GAP化学是首个将四个要素:试剂、反应、分离和提取(需要考虑到活性,选择性,稳定性,滘解度,等化学和物理的要素)集于一体的概念(图3)。GAP化学帮助产生出了世界上第一台自动多肽液相合成仪(GAPeptides, LLC[1])。 图3. GAP化学和技术示意图 李桂根团队在寻找更有效的手性GAP试剂的过程中,考虑到在其1,2-双氨位置上引入两个8-苯基萘基团,可以更好地控制GAP试剂的反应性和不对称反应的选择性(图4)。不过经过长时间努力,化学合成并未能成功。他们发现主要问题在于双C-N键偶联的步骤,在传统的催化体系下偶联反应不能进行,或者反应产率极低。通过对Buchwald-Hartwig 偶联反应的条件和对底物的筛选,双C-N键偶联反应得以进行,从而使得GAP产物(新的磷酰氨)的多步全合成顺利完成。通过使用手性高压液相色谱方法,分离出它的两个镜像异构体,并且得到其中一个镜像异构体的单一晶体。对其进行X射线衍射分析,李桂根团队惊喜地发现了该分子具有多面3D手性。使用同样方法,分离出磷酰氨前体(磷酰氯)的镜像异构体,并且进一步将磷酰氯转化成一系列多面3D手性衍生物(图5)。 图4. 多面3D手性的全合成 图5. 多面3D手性衍生物的转化 更有趣的是,多面3D手性化合物和前体表现出与普通有机小分子不一样的物理特征。可形成长短不一的棒状固体,长度可达几厘米(图6B);当它们在一个适当大小的圆底烧瓶中蒸发时,可形成鸟巢型网状结构(图6C)和多种规则的图案(图6D)。同时,文章中所有的多面3D手性化合物表现出多种色彩荧光(图6A)和AIE性质,其中一些分子显示出超强的旋光特征。这些结果为今后研究新型液晶、偏振光及其它光电材料提供了新的分子基础。 图6. 多面3D手性化合物和前体的物理表现 值得一提的是,在一系列多面3D手性衍生物中,手性有机磷化合物占据着特殊地位,它们可被用作手性磷配体,而手性磷配体在很多过渡金属催化和有机小分子催化不对称反应起着重要的作用。手性磷配体催化的不对称加氢(诺奖成果)是目前为止最成功的不对称催化反应,并且在工业界得到广泛应用。然而,设计和合成更有效的手性磷配体以提高催化反应活性和选择性,仍然具有挑战性。发展新型高效手性磷配体在今后相当长的一段时间内仍旧是手性化学的热点。而多面3D手性的发现为新型手性磷配体提供了全新的不对称诱导环境和工具,而且几乎所有的催化单元或催化中心都可以镶嵌到多面3D的框架上,以控制不对称有机反应用于新型药物和有机材料的合成和生产。 新发现的多面3D手性与传统手性的本质性区别主要表现在以下几个方面:(1)中心面的上下两个面相互依存,相互制约,从而避免镜像异构体的异构化。(2)多面3D手性的“三明治”特征,有别于二茂铁“三明治”,前者的“夹心”是有机单元,而后者是金属;稳定两种“三明治”的化学键也不同,前者是C-C键,而后者是C-金属键。(3)BINAP类型的轴手性分子,只能有两个镜像异构体存在。而多面3D手性,在三个不同芳香层面的情形下,最多可能达到48种异构体。(4)多面的pseudo C2 非对称结构元素首次被报道(C2 和pseudo C2asymmetry)(图7)。(5)多面3D手性让真正在层面分子意义上模拟或改造DNA/RNA成为可能(DNA/RNA chiral mimic)。(6)多面3D手性表现出超强的旋光特征,同时显示出多种色彩的荧光和聚集诱导发光。 图7. 多面3D手性的C2 和 pseudo C2非对称性对比 未来展望 多面3D手性的发现,将为有机化学教科书中的立体化学部分增添一项新内容,也为不对称合成和不对称催化提供了新的思路,开辟了新的方向。多面3D手性将对化学、物理、生物医学与医药、材料科学等产生影响,有望推动新型有机光电功能及力学材料的开发,相关的化学化工产品具有潜在的经济效益。 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): Multilayer 3D Chirality and Its Synthetic Assembly Guanzhao Wu, Yangxue Liu, Zhen Yang, Nandakumar Katakam, Hossein Rouh, Sultan Ahmed, Daniel Unruh, Kazimierz Surowiec, Guigen Li Research, 2019, DOI: 10.34133/2019/6717104 参考资料:1. www.GAPPeptides.com 作者简介 李桂根现任美国德州理工大学最高荣誉教授(Paul Whitfield Horn Professor)和南京大学Adjunct教授,中国国家级特聘专家和杰出青年基金获得者(B类, 2009)。1995年至1997年在美国Scripps研究所博士后工作期间,对于K. Barry Sharpless教授的2001年诺贝尔化学奖研究课题 - Catalytic Asymmetric Aminohydroxylation (Sharpless AA 反应) - 起到核心作用;在此之前的25年间(MIT、Stanford 和Scripps),Sharpless团队共有34人在该项目上做出过努力。 李桂根共发表论文330余篇,h-Index = 53,其中7篇论文为 top 1% 高被引论文,其中一篇为领域热点论文;连续几年入选“中国高被引学者” 。连续多年参加中美两国国家级项目的评审。 主要学术贡献:(1)发现并定义多面3D 手性,有机三明治手性,多面pseudo C2 对称性 。(2)建立新型手性GAP试剂和 GAP化学和技术应用,实现无需柱层析或重结晶的绿色化学合成。(3)实现金属催化烯烃/炔烃的胺卤化和双胺化反应(4)建立世界上第一台多肽液相合成仪  (as a co-founder of USA company called“GAPetides, LLC”[1]);(5)提出了GASyn 化学 (Group-Assisted Synthesis 化学) 新概念,利用官能团的设计来提高有机合成的效率。(6)实现不对称催化allenoate/allenolate的Aldol 反应,并且用于beta卤代Morita-Baylis-Hillman (MBH)产物的合成, 同时实现非路易斯碱诱导的MBH反应。 https://www.x-mol.com/university/faculty/11526 稿件来源于Research编辑部 长按识别二维码,与Research编辑面对面 Research作为Science自1880年创建以来第一本合作期刊,通过Science的高影响力国际化传播平台和丰富的国际化高端学术资源,正在快速提高期刊的国际知名度和影响力,刊登内容主要集中在:人工智能与信息科学/生物学与生命科学/能源研究/环境科学/新兴材料研究/机械/科学与工程/微纳米科学/机器人与先进制造领域。 欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿,关注和使用期刊的出版内容。 网址:https://spj.sciencemag.org/research/

来源: X-MOL 2019-08-21

复旦大学李聪教授课题组近年工作概览

李聪,复旦大学教授,博士生导师,教育部新世纪人才,上海市教委曙光计划人才。1993年9月至2000年7月于武汉大学化学系获得学士、硕士学位。2004年10月于香港大学化学系获博士学位。2005年4月至2008年12月在美国约翰-霍普金斯大学医学院放射学系从事博士后研究。2008年12月作为引进人才赴复旦大学药学院工作,先后担任副教授、教授、放射药学教研室主任、科研副院长。 回国工作以来,主持国家自然科学基金项目5项、上海市科委重点项目3项,以研究骨干身份参与973重大科学研究计划3项,到位基金800余万元。以第一/通讯作者身份在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Lett.、Chem. Sci.、Theranostics、Int. J. Cancer、J. Cereb. Blood Flow Metab.等权威杂志发表SCI论文40篇,其中5篇影响因子大于10,平均影响因子为7.2,被引用次数超过1300次。相关工作被Nat. Cancer. Rev.、Chem. Rev.、Sci. Trans. Med.等顶级学术刊物正面评价。相关工作获申请专利12项,授权4项。2015年获国家科技进步二等奖 "中枢神经系统重大疾病CT/MRI关键技术与应用",(第2完成人);2014年获上海市科技进步二等奖 "肝纤维化无创伤诊断新方法的创建及其靶向治疗",(第5完成人);2011年或教育部科技进步一等奖 “磁共振分子影像和功能影像研究和应用”,(第5完成人);2017年获上海市浦东新区优秀科技论文一等奖。 李聪教授研究工作聚焦于“脑胶质瘤微环境演变与调控”关键科学问题,针对胶质瘤“精准定位难”、“完整切除难”、“有效治疗难”、“复发控制难”等临床困境开展研究。通过开发多模态、多尺度、多维度分子影像技术和跨血脑屏障微环境响应型分子探针,在脑胶质瘤“精准定位”、“手术导航”、“药物递送”、“靶向治疗”和“微环境调控”等关键环节取得积极进展。 (一)“开合有度”:靶向、高效、安全调控血脑屏障通透性新策略 血脑屏障作为脑部毛细血管特殊结构对维持大脑稳态发挥关键作用,而处于肿瘤浸润区域血脑屏障的结构与功能演变与胶质瘤进展和预后密切相关。内皮细胞间“紧密连接”是维持血脑屏障功能的关键。目前临床使用高渗剂如甘露醇通过提高毛细血管两侧的渗透压“挤破”紧密连接从而提高血脑屏障通透性。但该方法对血脑屏障不可控开启往往引起脑水肿和神经损伤等副作用。因此,研究浸润区域血脑屏障结构演变和调控机制、发展高效、安全、靶向调控胶质瘤边缘区域血脑屏障通透性策略具有重要科研和临床意义。 李聪教授课题组制备了一种基于树枝状高分子的纳米激动剂。该纳米激动剂可特异激活脑毛细血管内皮细胞上的腺苷A2A受体从而引起内皮细胞收缩、紧密连接暂时性开启。活体磁共振成像证实纳米激动剂能够显著提高正常小鼠脑血管通透性及模型药物入脑效率。透射电镜直接观察到紧密连接的开启及可逆恢复。免疫荧光显微成像表明血管基膜、周细胞、胶质细胞周足和内皮细胞等血脑屏障主要结构未有损伤。组织切片也未发现脑水肿、细胞凋亡、神经损伤等副作用。纳米激动剂的优势在于:1. 通过强化内源性机制可逆调控血脑屏障通透性,安全性好;2. 通过调控激动基团数目调节血脑屏障开启效率和时间窗口,为不同类型药物个性化入脑提供新的途径(ACS Nano, 2014, 8, 3678; J. Cereb. Blood Flow Metab., 2017, 37, 1410, DOI: 10.1177/0271678X16656198)。 图1.腺苷2A受体激动剂可逆调控血脑屏障通透性。(A)纳米激动剂可逆开启BBB示意图;(B)动态增强磁共振成像(DCE-MRI)显示纳米激动剂提高BBB通透性;(C)透射电镜显示注射纳米激动剂后紧密连接的开启及可逆恢复;(D)组织染色表明血管基膜、胶质细胞周足、周细胞和内皮细胞等BBB主要组分未有损伤,也未发现脑水肿、神经凋亡等副作用。 (二)“眼见为实”:靶向调控胶质瘤边缘区域血脑屏障通透性指导化疗药物递送 由于血脑屏障的低通透性,大约98%的小分子及绝大多数的大分子药物难以跨越血脑屏障入脑。尽管胶质瘤核心区域血脑屏障结构破坏明显,但其浸润区则基本保持完整,这也是导致该区域难以示踪、难以递药、易于复发等关键原因。李聪教授课题组构建了一类腺苷2A受体(A2AR)靶向激动剂,其首先靶向胶质瘤浸润区域的新生血管,通过特异性激活A2AR信号通路,暂时性提高血脑屏障通透性。当无创影像技术发现胶质瘤浸润区域和与周围正常脑组织通透性比值达到最大时,注射化疗药物,在提高药物疗效同时降低其对正常组织的毒副作用。 血脑屏障阻止药物入脑并发挥疗效是几乎所有中枢神经系统疾病治疗面临的共同难题。基于腺苷受体激动剂的血脑屏障靶向调控技术和影像指导下的递药策略可以拓展到包括脑血管疾病、神经退行性疾病和精神类疾病等其他中枢神经系统疾病的治疗,具有重要的科学和临床意义(Theranostics, 2018, 8, 3126)。 图2.调控胶质瘤边缘区域血脑屏障通透性指导化疗药物递送。(A)尾静脉注射Gd3+-DTPA(上排)或靶向激动剂Den-RGD-Reg联合Gd3+-DTPA(下排)处理后的胶质瘤原位移植裸鼠T2W-MR、T1W-MR和DCE-MR图像。(B)靶向纳米激动剂处理后小鼠脑部的Ktrans图。注射纳米激动剂45 min后再注射Gd3+-DTPA,白线圈出区域为肿瘤实质部分,白线圈和黑线圈之间为肿瘤边缘,蓝线圈出区域为对照脑组织。(C)注射纳米激动剂后,胶质瘤实质、胶质瘤边缘和对照脑组织的平均Ktrans值。(D)注射纳米激动剂30 min、45 min、60 min后在胶质瘤边缘和对照脑组织间的Ktrans比值。 (三)“双管齐下”:肿瘤微环境双模态响应探针引导脑胶质瘤手术切除 手术切除是胶质瘤治疗的重要手段。保守切除残留的微小病灶会导致肿瘤早期复发,而激进切除则有可能破坏肿瘤周围的重要功能区,造成失语、瘫痪等严重后遗症。李聪课题组制备了一类肿瘤微环境双模态响应探针引导脑胶质瘤手术切除。该类探针通过受体介导转胞吞作用跨越血脑屏障。在肿瘤酸性环境中特异性自组装形成三维球状聚集体并伴随T1加权磁共振信号和表面增强拉曼信号同时增强。高信噪比磁共振成像用于手术前胶质瘤准确定位,而具有超高灵敏(10-12-10-15 M)的表面增强拉曼信号用于手术中引导肿瘤切除”。由于酸性环境是几乎所有固体肿瘤普遍特征,pH响应探针将较少受到肿瘤异质性影响,可实现不同类型胶质瘤普适性示踪和导航;此外胶质瘤浸润区域血脑屏障结构相对完整。跨血脑屏障探针能够提高对胶质瘤边缘的示踪信噪比和准确率”。 双模态响应型探针能够实现手术前肿瘤磁共振定位像和手术中拉曼导航像的实时比对,若能应用于临床,则有望克服开颅手术过程中脑移位造成的导航信号偏倚,对提高胶质瘤浸润部位切除率并避免损伤邻近重要脑功能区均有积极临床意义(Adv. Mater., 2017, 29, 1603917; Nanoscale, 2017, 9, 7930)。 图3. pH双模态响应探针引导胶质瘤切除示意图 图4. 探针在肿瘤酸性环境中特异性聚集 (四)“正中靶心”:纳米抑制剂阻断MET通路提高脑胶质瘤靶向治疗疗效 间质上皮转化因子(mesenchymal-epithelial transition factor, MET)蛋白是一类跨膜受体,属于络氨酸激酶受体超家族,也是肝素生长因子的特异性受体。MET受体活化能够激活多种下游信号通路,促进肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移。MET通路异常与肿瘤耐药、转移风险,不良预后等呈正向相关。MET信号过度活化与胶质瘤预后密切相关。研究发现,29%的高级别胶质瘤病人具有MET过度活化特征,且这些病人的中位生存期较MET低表达或不表达病人平均缩短2.6个月。发展新类型的MET抑制剂,不但可以作为抗体和小分子抑制剂外的另一种选择,在降低治疗成本、提高治疗效果,克服耐药性等方面有重要的临床意义。 cMBP是MET受体特异性靶向多肽,可抑制其下游信号通路的激活,但其循环时间短,易被降解。本工作将多条cMBP连接于树枝状高分子得到的纳米抑制剂具有多位点效应。与游离cMBP相比,纳米抑制剂对MET受体的结合常数分别提高了32倍和332倍。与游离cMBP多肽相比,纳米抑制剂对U87MG肿瘤细胞呈浓度依赖性抑制。免疫印迹分析结果证明纳米抑制剂能够以浓度依赖性方式有效抑制MET及其下游各个关键信号通路蛋白的磷酸化。而且病人脑胶质瘤和U87MG原位移植瘤切片均显示pMET在胶质瘤边缘,特别是肿瘤血管腔侧高表达,而在正常脑组织表达量很低。该纳米抑制剂可以有效抑制MET信号通路的活化,实现与小分子抑制剂相当的抗肿瘤作用,有望成为抗体和小分子抑制剂外的另一种新类型的MET抑制剂并克服靶向治疗耐药性问题(Nano Lett., 2018, 18, 5488-5498)。 图5. 纳米抑制剂阻止MET受体的二聚化及下游多种信号通路活化 (五)“否极泰来”:调控小胶质细胞表型极化优化神经炎性微环境 小胶质细胞(Microglia)是脑部驻地免疫细胞,为中枢神经系统最主要的免疫防线。小胶质细胞在生理条件下处于静息态(M0表型),发挥“免疫监视”作用。病理状态下,小胶质细胞迅速激活并伴随转录适应性功能变化。经典激活型(M1极化)小胶质细胞释放促炎因子和毒性物质杀灭病原体。而替代激活型(M2极化)小胶质细胞则通过促进组织修复和再生实现神经保护作用。过度激活的M1表型小胶质细胞会引起神经元失能、损伤和退变,并在脑血管疾病、神经退行性疾病、神经发育障碍和精神性疾病中扮演重要角色。因此,调控小胶质细胞表型极化将为治疗炎性相关神经系统疾病提供新的思路。 胞内活性氧簇(ROS)在小胶质细胞表型极化过程中发挥关键作用。例如,抑制线粒体电子传递链提高ROS浓度可促进M1型极化。同时,抑制NADPH氧化酶活性降低ROS浓度可阻止M1型极化。因此,改变胞内ROS水平可能调控小胶质细胞表型极化。该研究构建了直径小于5纳米的氧化铈纳米粒,其表面共存Ce3+和Ce4+两种价态,价态间的相互转换赋予纳米铈同时、高效、持续性消除过氧化氢(H2O2)、超氧阴离子(O2-)及羟自由基(OH)等多种ROS的能力。实验结果显示:乏氧条件下,纳米铈能够阻断NF-κB炎性信号通路,抑制iκB磷酸化降解和P65的核转移,降低促炎性细胞因子表达水平同时提高抑炎性细胞因子表达,最终促进病理条件下小胶质细胞M1到M2表型逆转。经纳米铈预孵育的小胶质细胞降低了乏氧条件下共孵育神经元细胞的死亡,显示出神经保护效应。该项工作揭示了ROS在调控小胶质细胞表型极化中的关键作用,为病理条件下促使脑内免疫微环境再平衡提供了新途径(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 130, 5910)。 图6. 纳米铈消除ROS调控小胶质细胞表型极化相关机制图 以上为李聪课题组近年来具有代表性的工作成果,其它更多具体详细的信息参见下列网站,或发送邮件至congli@fudan.edu.cn。本课题组欢迎有志于影像学、药学等研究方向感兴趣的同学联系报考硕士、博士研究生。 导师介绍 李聪 https://www.x-mol.com/university/faculty/17020 课题组网站 www.congli.fudan.edu.cn 放射药学教研室网站 http://spfdu.fudan.edu.cn/Department/Index.aspx?BID=81

来源: X-MOL 2019-08-20
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