“温文尔雅”的Fe-Co双原子对:自旋与ORR/OER的内在关系

催化剂也有脾气?那么一个高效的催化剂是温婉动人,成熟稳重,还是性烈如火?人有多重性格,催化剂亦如此。从电子自旋的角度出发,活性优异的催化剂应该是“温文尔雅”的。一方面,自旋-自旋的耦合作用会产生一定强度的杂散磁场,有利于O2分子(基态为顺磁性)的吸附;另一方面,这种耦合作用不能太强,否则不利于O2分子脱附。今天就给大家介绍一种具有这样性格的ORR/OER双效催化剂。商用氧还原(ORR)和氧析出(OER)催化剂一般为贵金属,其广泛应用受高昂价格和不稳定性的限制。具有原子级分散的M1-Nx-C和M1-M2-Nx-C(M1, M2代表过渡金属),具有价廉、高效等优势,有望替代传统贵金属催化剂。尽管如此,由于目前实验方法缺乏对原子位点的精确控制,建立催化活性与微观结构之间的内在联系仍是一项极具挑战的工作。另一方面,与电荷(charge)一样,自旋(spin)也是电子的内禀性质之一。过渡金属的d轨道较窄,不同自旋方向的电子能带发生自旋劈裂,导致自旋极化(spin-polarized)的电子结构和自旋磁化率(spin magnetization)的出现。双金属掺杂中一个不容忽视的问题就是金属间的自旋-自旋偶尔作用以及其对催化活性的影响。近日,燕山大学王静课题组联合加拿大萨斯喀彻温大学(University of Saskatchewan)的John Tse教授以及上海大学赵玉峰教授基于密度泛函理论(DFT)的研究发现,半金属这种特殊的能带结构具有良好的ORR/OER双效催化能力。研究以Fe、Co双金属嵌入石墨烯(FeCoNx-gra,x=1-6)为原型,通过自旋极化的计算发现,CoN4-gra、FeFeN6-gra、FeCoN4-gra(III)、FeCoN5-gra(I)和FeCoN6-gra(II)(图1)可以在酸性介质中表现出优异的ORR/OER双效催化性能(图5)。这是因为,催化剂中极化了的过渡金属之间产生了一种铁磁耦合作用(Ferromagnetism, FM),形成了杂散磁场(stray field),有利于对顺磁态O2分子的吸附。另一方面,在OER过程中,杂散场的存在有利于O原子中未成对电子自旋方向的保持(spin conservation),这对O-O键的形成是有利的。进一步的研究发现,正是半金属这种独特的电子结构(一个自旋方向具有金属性,一个自旋方向具有绝缘性)中,即实现了过渡金属的自旋极化,同时极化的程度又不是很强(金属性说明巡游电子存在),保证了O2吸附/脱附顺利进行。因此,吸附位点的自旋磁矩(spin moment)可以作为催化活性的“描述符(descriptor)”。本研究首次构建了催化剂的宏观活性与微观电子结构的直接联系,而吸附位点的原子磁矩可以作为二者之间的“桥梁”,为实验定向研究提供参考方向。该研究成果发表在国际知名期刊J. Mater. Chem. A。为了研究N原子配位数及其相对位置对电子结构和催化活性的影响,作者构建了27种FeCoNx-gra(x = 1-6)催化剂(图1)。此外,为了研究过渡金属之间自旋-自旋耦合作用的影响,还考虑了CoN4-gra、FeN4-gra、FeFeN6-gra、CoCoN6-gra四种结构,以分析这一系列的总体趋势。结果表明,随着N配位数的增加,形成能逐渐降低(图2)。以FeCoN6-gra为例,四配位N(图1)比三配位N更稳定。此外,四配位N有利于反应中间体*O的top位吸附,而后者与催化活性紧密相关,因此四配位N的构型是至关重要的。图1. CoN4-gra, FeFeN6-gra, FeCoN4-gra(III),FeCoN5-gra(I)和FeCoN6-gra(II)的结构示意图; 粉色,紫色,青色和棕色球分别代表Fe,Co,N和C原子。图2. FeCoNx-gra(x = 1-6),CoN4-gra,CoCoN6-gra,FeFeN6-gra,FeN4-gra的形成能(Ef)。根据Sabatier原理,温和的*O2吸附强度有利于ORR反应。作者的计算验证了这一点:性能优异的双效催化剂*O2吸附能均为-0.6eV~-0.7eV左右(图3)。研究发现:第一,非常强的*O2吸附能力不利于*OH→H2O,虽然O-O键的拉伸有利于*O2→2*O,但在大多数情况下,*O2→*OOH的缔合途径是更容易的。第二,温和的吸附能与催化活性间存在必要非充分的关系:优异的催化性能需要适度的吸附能(moderate),但是适度的吸附并不能保证良好的催化性能。图3. FeCoNx-gra(x = 1-6),CoN4-gra,CoCoN6-gra,FeFeN6-gra,FeN4-gra的O2吸附能(ΔEads)。图4中,Ui0(i = 1、2、3、4)分别为中间体 *OOH,*O,*OH和H2O形成的标准平衡电位(ΔGi= 0),其中高度最低的为热力学决速步(potential determining step)。在大多数情况下为绿色或灰色,即R3或R4。特例为CoCoN6-gra,FeFeN6-gra,FeCoN4-gra(III),FeCoN5-gra(I)和FeCoN6-gra(II),它们的决速步是R1。图4.非解离路径中*OOH,*O,*OH和H2O形成步骤的标准平衡电势。黑色虚线表示,溶液中四电子总反应的标准平衡电势。图5. ORR和OER活性的火山型关系。进一步对ORR和OER过电势的火山图分析,发现CoN4-gra、FeFeN6-gra、FeCoN4-gra(III)、FeCoN5-gra(I)和FeCoN6-gra(II)具有良好的双效催化性能(图5)。为了更好地理解其催化机制,作者绘制了这五种双效催化剂的电子结构图(图6,density of states)。结果表明,这五种双效催化剂都具有半金属的电子结构:一个自旋方向的费米能级处有电子穿过,另外一个方向却有明显的带隙存在。为了进一步的区分五种双效催化剂之间的差异,他们对比了吸附位点的磁矩值(主要是Fe,CoN4-gra和CoCoN6-gra是Co),发现ORR催化活性与吸附位点原子的磁矩存在内在联系:磁矩值在0.4~1.5ηB之内可表现出比商业Pt/C良好的催化性能,并出现峰值(图7)。OER的催化性能与自旋磁矩的关系不太明显,但是在该范围内亦可表现优异。图6. CoN4-gra,FeFeN6-gra,FeCoN4-gra(III),FeCoN5-gra(I)和FeCoN6-gra(II)的Fe 3d,Co 3d,C 2p和N 2p的态密度(DOS)图,插图是过渡金属的自旋密度(磁化强度)。图7. ORR/OER过电势与反应中心原子自旋矩的关系。总结本文以FeCo-Nx-gra(x=1-6)为原型,研究了催化剂电子结构以及过渡金属间自旋-自旋耦合作用和ORR/OER双效催化性能之间的内在联系。催化剂自身的原子磁矩(反应中心)可以作为催化活性描述符(descriptor),衡量催化活性。本研究首次将ORR/OER双效催化能力与电子自旋这一内禀性质联系起来,为催化剂设计和进一步优化提供坚实的理论基础。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):Itinerant ferromagnetic half metallic Cobalt−Iron couple: promising bifunctional electrocatalysts for ORR and OERYuling Sun, Jing Wang,* Qian Liu, Meirong Xia, Yongfu Tang, Faming Gao, Yanglong Hou, John Tse*, Yufeng Zhao*J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA08616A

来源: X-MOL 2019-11-16

Nat. Commun.:金属硼氮富勒烯并不具有内嵌结构

在元素周期表中,硼和氮是碳的左右邻居,等量的硼原子和氮原子能形成一种笼状的分子——硼氮富勒烯,是众所周知的碳富勒烯(如C60)的等电子体。与碳富勒烯类似,金属原子也能掺杂硼氮富勒烯,从而调控其物理化学性质。长期以来,人们一直认为,掺杂后金属原子是内嵌在硼氮纳米笼内的,因为这是碳富勒烯与金属原子复合时的普遍结论。然而近日,扬州大学的汪洋(点击查看介绍)研究团队在Nature Communications上发表理论研究论文,颠覆了上述观点。硼氮化合物作为碳的等电子体,同样也能形成结构丰富、性质多样、从零维到三维的纳米材料,并具有很多碳基材料所没有的独特性质,在材料科学和生物医药等方面有着重要的应用前景。其中,硼氮富勒烯是一类独具魅力的化合物,具有优越的热与化学稳定性,可作理想的储氢材料、无金属催化剂以及分子检测器等,多年来一直受到人们的特别关注。在实验室中,人们已经成功地合成了金属掺杂的硼氮富勒烯,也对它们进行了大量的理论计算研究。这些研究的基础或结论都是基于这样一个前提:在金属与硼氮富勒烯的复合物中,金属原子是内嵌在硼氮笼里的。这一观念主要来自于大家对碳富勒烯的共识:碳富勒烯被金属掺杂后,金属原子往往被包裹在碳笼里(称为内嵌金属富勒烯),即使是尺寸很小的C28碳笼,也能“贪婪地吞进”Ti、Zr和U等原子——这在实验和理论上都得到了证实。然而事实上,对于金属掺杂的硼氮富勒烯,由于缺乏晶体学证据,其原子分辨的结构迄今仍有待确定。扬州大学理论化学团队对一系列 Ti(BN)n 复合物 (2n = 24–48) 进行了系统的研究,揭示了钛掺杂硼氮纳米笼的奇特结构。他们通过高级别的DFT计算和全局极小点的系统搜索,惊讶地发现Ti原子强烈倾向于从外部与笼子结合而不是被束缚在富勒烯内部,这一结果颠覆了大家普遍接受的认为硼氮金属富勒烯属于内嵌复合物的观点。以Ti(BN)19体系为例(如下图所示):相比于内嵌结合方式,Ti原子的笼外结合在能量上具有很大的优势。进一步计算表明,在典型的制备硼氮团簇的条件下,金属从外部与笼子结合的过程是显著的自发过程,而金属内嵌在笼内的结构则无法自发形成。这与众所周知的金属和碳富勒烯的结合方式形成了鲜明对比。为解释这一出乎意料的结果,他们仔细考察了大量的Ti(BN)n 异构体,发现了一些决定其稳定性的结构特点和拓扑规则(见下图)。最值得注意的是,在所有稳定结构中,四价钛原子与笼上六边形的两平行边上的四个氮原子进行配位,这种键合模式既能最大化金属—配体的轨道相互作用,又能最小化分子骨架的形变张力。这就意味着,通过金属掺杂,硼氮纳米笼在B、N原子的连接方式和排列方式上都会发生重大变化。一方面,金属修饰的纳米笼结构中出现了如五元环、七元环等罕见的几何面,而这些奇数环在纯的硼氮富勒烯中是不存在的。另一方面,B、N原子的重新分布导致了两个B—B键的出现。这些活性较高的“反位点”可在捕获二氧化碳和固氮等方面具有潜在的应用价值。作者还提出了低能碰撞诱导解离的实验方案,来证实金属硼氮富勒烯的笼外结合结构。早期的这类实验已成功证实了,在MC60+(M = Fe, Co, Ni, Cu, Rh, La) 复合物中,单个金属原子是在外部与碳笼结合的。经过估算,对于目前的Ti(BN)n体系,可采用10 eV左右的碰撞能。如果金属在笼外结合的,那么在质谱图中就应该只检测到Ti+离子;如果金属是内嵌的,则需要非常高的激发能才有可能检测出Ti+离子信号,并且还很可能观察到母笼的碎片信号。这项研究的结果将会进一步拓展、甚至改变人们对金属功能化的硼氮纳米结构的理解,并激发人们对该领域的进一步实验和理论探索。以上成果近期发表在Nature Communications上,论文的第一作者是扬州大学2018级硕士研究生李如意。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):Modification of boron nitride nanocages by titanium doping results unexpectedly in exohedral complexesRuyi Li, Yang WangNat. Commun., 2019, 10, 4908, DOI: 10.1038/s41467-019-12877-0 导师介绍汪洋https://www.x-mol.com/university/faculty/78630

来源: X-MOL 2019-11-13

这个小bug,可能“坑”了上百篇化学论文

结构解析可以说是整个有机化学的核心技术。说白了,我们总得知道自己做的是个什么东西吧?做得什么都说不清楚,还谈什么性质、吹什么方法?说起解析结构,恐怕最有发言权的要说那些天然产物研究人员。与合成产物的结构鉴定不同,天然产物的结构鉴定几乎全部是未知的结构信息,加之天然产物多有手性中心,这就练就了该领域研究人员的一双慧眼。受到目前物理技术的制约,并不是所有化合物都能利用X-射线单晶衍射技术确定手性中心的立体构型。近些年,计算机硬件和计算化学迅速发展,在化学及其相关学科都能看到计算化学的影子。算能量,算构象,算反应,算波谱数据,算相互作用,甚至连生命起源都能算(剧毒氰化物,或是生命起源?),大有“万物皆可算”的感觉。利用计算化学确定手性中心立体构型更是不在话下,早已被全世界的学界认可。可是,凡事总有瑕疵,算来算去也难免算错。咱们今天就看一篇有趣的文章,来自夏威夷大学马诺阿分校Philip G. Williams等人,发表在Organic Letters上,主要工作是鉴定一些新发现的天然产物。本君在这里就不给大家详细讲述该文章是如果解析核磁(NMR)图谱确定化合物结构骨架的,感兴趣的同行请直接阅读原文。老规矩,咱们直接上干货。这篇文章从蓝细菌Leptolyngbya sp.中鉴定出这样几个结构新颖的化合物。图片来源:Org. Lett.对于化合物1的手性中心构型鉴定,作者也利用计算化学对其8个异构体进行了碳谱化学位移的计算,通过计算值与实测值的比较确定化合物的立体构型。图片来源:Org. Lett.这一切看上去都是那么的正常,可是意外总是不期而遇。当他们团队成员重复计算结果时发现,同样的结构输入文件,同样的软件,在不同的操作系统上(Windows、Linux、Mac)计算出的结果居然不一样!!!大白话说,就好比是一个牌子的计算器,在我家算1+1=2,在你家算1+1=3.1,在他家算1+1=1.8。这着实让人难以接受啊 …… 图片来源:Org. Lett.于是,一组问号三连击出现了。为什么会这样?我该怎么办?到底相信谁?作者在经历了这样的灵魂拷问之后,给出了他们的答案。他们使用的是Willoughby等人2014年在Nature Protocols 上公开的Python脚本程序 [1]。在分析这个程序运行过程后作者发现这样的规律:对同一个输入文件进行计算时,在Windows平台这个程序会输出两组文件,一组命名为*opt_freq-*-ID.out存储了能量与频率,另一组命名为*nmr-*-ID.out存储了化学位移,程序会按照文件名自动匹配。在Linux平台运行程序时,虽然也生成了这两组文件,但是Linux系统中文件排序取决于使用者设置的环境变量。因此,计算程序会出现将能量频率文件与化学位移文件匹配错误的情况。这就造成了同一个软件在不同操作系统上运行相同的输入文件却得到了不完全一样的结果。文章读到这,本君已经很佩服作者的能力了,这种瑕疵(程序员们一般称之为“bug”)都能找到。更绝的是,作者找到问题后直接加了几行代码把程序改了 [2],改完之后放到各个操作系统上一运行。嗯……结果终于一样了。字里行间都能感受到那种处女座“强迫症患者”的释然。文章最后,作者“轻描淡写”地提道,这几年用这个程序解析的结构可不少啊(该文至今被引用超过160次),这些作者应该做一做不同系统的计算检验。图片来源:Nature Protocols [1]本君最后邪恶地出个计算题,那些引用了这篇文章来计算化学位移的研究者看到这篇OL或者本文之后,心理阴影面积大概有多大?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):Characterization of Leptazolines A–D, Polar Oxazolines from the Cyanobacterium Leptolyngbya sp., Reveals a Glitch with the “Willoughby–Hoye” Scripts for Calculating NMR Chemical ShiftsJayanti Bhandari Neupane, Ram P. Neupane, Yuheng Luo, Wesley Y. Yoshida, Rui Sun, Philip G. WilliamsOrg. Lett., 2019, 21, 8449-8453, DOI: 10.1021/acs.orglett.9b03216参考资料:1. A guide to small-molecule structure assignment through computation of (1H and 13C) NMR chemical shifts. Nature Protocols, 2014, 9, 643–660, DOI: 10.1038/nprot.2014.042https://www.nature.com/articles/nprot.2014.0422. Philip G. Williams修改后的程序:https://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acs.orglett.9b03216/suppl_file/ol9b03216_si_003.zip(本文由乐只君子供稿)

来源: X-MOL 2019-11-02

趋利避害:二维钙钛矿边缘不饱和卤素化学键促进激子解离、抑制电荷复合

与传统的三维有机-无机杂化钙钛矿相比,二维 (2D) Ruddlesden-Popper (RP) 型钙钛矿稳定性好,含铅量低,基于此类材料的太阳能电池光电转换效率超过了17%,具有潜在的应用前景。由于量子限制效应,二维钙钛矿激子束缚能大,光生电子和空穴对不易分离。而且,低温溶液法制备的钙钛矿含有丰富的缺陷,通常认为这些缺陷会加速电荷和能量的失,限制了光电转换效率的进一步提升。然而,实验报导2D-RP钙钛矿(BA)2(MA)n−1PbnI3n+1形成的边缘态有利于加速激子解离,延长激发态寿命,进而提升了器件性能。但是,促成这一现象的物理机制不胜清楚。龙闰(点击查看介绍)和方维海教授(点击查看介绍)课题组采用组合含时密度泛函理论和非绝热分子动力学模拟,设计了钙钛矿两侧同为Pb封端、I封端以及Pb/I封端的多种边缘结构,计算了各种几何结构的非辐射电子-空穴复合。模拟表明,钙钛矿边缘处不饱和非金属碘化学键增强空穴局域,而铅元素相关的缺陷可以通过调整自身的氧化态而自愈,所以金属铅不饱和化学键在增强电子局域化方面作用较弱。此外,热运动加速边缘几何结构扭曲,进一步增强了电荷局域,尤其是空穴的局域变得更加显著,电荷分离态得到加强,有利于激子解离。边缘的几何结构和热效应的协同作用,使得始末电子态非绝热电声耦合强度较小,低于1 meV;量子相干时间较短,小于 10 fs。这两个因素降低了非辐射电子-空穴复合率,延长激发态寿命。可见,边缘态可以扬长避短、趋利避害,提高2D RP钙钛矿光电器件的性能。上述模拟工作建立了2D钙钛矿边缘态加速激子解离和抑制电荷复合现象的物理机制,为设计廉价、高效的钙钛矿太阳能电池材料提供了新思路。相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.。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):Exciton Dissociation and Suppressed Charge Recombination at 2D Perovskite Edges: Key Roles of Unsaturated Halide Bonds and Thermal DisorderZhaosheng Zhang, Wei-Hai Fang, Run Long*, Oleg V. PrezhdoJ. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 15557-15566, DOI: 10.1021/jacs.9b06046导师介绍龙闰https://www.x-mol.com/university/faculty/43006 方维海https://www.x-mol.com/university/faculty/37835

来源: X-MOL 2019-10-27

JACS:北京大学张成/许进课题组构建可重构DNA电路

随着信息处理量爆炸性猛增,传统信息处理技术面临着前所未有的巨大挑战。在众多前瞻计算技术中,DNA计算和分子智能系统以其高分子并行性、存储能力以及生物兼容性吸引了人们的目光。其中,DNA电路(DNA circuit)是该领域重要的分子信息调控和处理技术。其应用涉及多个领域,包括分子计算与存储、基因编辑和纳米机器等。然而,与硅基电路只消耗输入电信号不同,传统的DNA电路其自身会作为反应物消耗,从而降低了系统的稳定性,并增加了复杂性和DNA编码难度。因此,如何设计构建可重构DNA电路,以实现高稳定和可迭代的生物计算和基因编辑系统已成为领域内亟待解决的重要问题。近日,北京大学信息学院计算机系张成课题组在可重构DNA电路研究中取得重要进展,相关论文发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)。这是北京大学计算机系首次以第一单位在JACS期刊上发表文章。同时,体现了北京大学近年来以“学科交叉与融合为重点”的学科建设指导思想。受生物基因调控的启发,本研究设计DNA缺刻酶催化和熵驱动DNA链置换双重催化机制,首次构建了自调节可重构DNA电路。其关键机制是:熵驱动DNA反应的双链DNA产物,可以作为底物进入缺刻酶切反应环路;而酶切生成的活性DNA产物,又可作为底物再次进入熵驱动DNA链置换反应环路。因此,和硅基电路只消耗电信号相似,只要持续输入DNA“燃料”信号,两个反应环路就会相互衔接,可重构DNA电路就会持续输出信号,并保持电路的完整。同时,研究还构建了多输入双层可重构DNA电路以证明其拓展性。该方法的建立,为发展新型生物计算和基因编辑技术奠定了基础,提供了新思路。近年来,北京大学信息学院张成/许进课题组聚焦生物计算和分子智能领域,围绕DNA计算、分子电路和自组装器件等领域展开系列研究。利用DNA别构效应,构建了多层级联DNA电路,并建立数学模型分析了级联信号传递方式 (Nucleic Acids Research, 2019, 3, 1097)。结合DNA适配体和核酸转录技术,实现了DNA/RNA混合分子电路,并用于DNA甲基化检测 (Chem. Commun., 2019, 55, 7378)。引入DNA核酶调控技术,构建了具有自调节功能的DNA电路,实现自反馈分子调节网络 (Nucleic Acids Research, 2018, 46, 8532)。使用缺刻酶控制,构建了级联DNA链置换逻辑门电路,探究了混合分子电路的反应特点 (Nanoscale, 2017, 9, 18223)。结合DNA核酶和自组装折纸技术,构建了基于二维平面结构的DNA电路,实现了模块化智能纳米组装(Nano Lett., 2016, 16, 736)。北京大学张成副研究员为以上相关论文的第一/通讯作者。以上研究工作得到了北京大学生物计算团队学术带头人许进教授的悉心指导和大力支持。同时,国内外多个科研团队合作参与了以上科研工作:亚利桑那州立大学Hao Yan教授,埃默里大学Yonggang Ke教授,普渡大学Chengde Mao教授,华中科技大学潘林强教授,大连理工大学张强教授,东南大学陆祖宏教授等。该系列研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育联合基金和北京市自然科学基金的资助。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):Nicking-Assisted Reactant Recycle To Implement Entropy-Driven DNA CircuitCheng Zhang,* Zhiyu Wang, Yan Liu, Jing Yang, Xinxin Zhang, Yifan Li, Linqiang Pan, Yonggang Ke,* Hao Yan*J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b07521延伸阅读:科技日报(2019年5月15日稿):科学家研发出DNA计算机:未来程序员拿试管写代码?http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2019-05/15/node_9.htm?from=singlemessage&isappinstalled=0 https://mp.weixin.qq.com/s/ULwa16SQo9oOA8RjxPW6kg

来源: X-MOL 2019-10-18

Angew. Chem.:基于深度学习的快速高质量磁共振波谱重建

磁共振波谱在现代化学、生物和医学等领域具有极其重要的作用,例如用于生命科学相关的复杂蛋白质结构表征等。但是,磁共振波谱数据采集时间随着数据的维度和分辨率的增加极速上升,使得三维谱的全采样时间达到几十小时。过长的数据采集时间严重限制了磁共振发展和更广泛应用。非均匀采样通过在采集小部分实验数据来减少实验时间,其挑战在于如何可靠且快速地从采集的有限数据中重建出高质量的完整磁共振波谱?近日,厦门大学的屈小波教授(点击查看介绍)领导的计算感知实验室和陈忠教授(点击查看介绍)课题组以及瑞典磁共振中心等合作,在快速磁共振波谱领域首次提出一种基于深度学习的人工智能磁共振波谱重建方法,成功实现快速可靠地获得高质量波谱。与最前沿的谱重建方法相比,该方法把重建时间降低10倍左右,能在1秒和10秒内分别快速重建二维和三维谱,且谱图质量相当甚至更好。此外,该方法还巧妙地利用仿真信号来训练神经网络,克服了深度学习需要大量实验数据而磁共振又难以提供的问题。一个训练完成的网络可以对不同蛋白质样品的不同波谱进行重建。研究人员受深度学习强大的数据学习能力启发,结合磁共振波谱信号的指数函数特性和信号处理理论,设计了一个基于卷积神经网络的深度学习方法用于快速采样磁共振波谱数据的可靠、高精度重建。该网络主要由多层的密集连接卷积模块和数据校验模块组成。密集连接卷积模块学习波谱的特征,而数据校验模块根据采集到的信号对重建的信号进行合理的数据对比和校验,以增加重建结果的可靠性。该网络学习了一个从由于非均匀采样造成的带伪影的波谱到“干净”无伪影的波谱的端到端的映射。神经网络训练完成后,只要输入非均匀采样数据,网络就可以快速计算得到完整的高质量波谱。在对小蛋白、大蛋白和无序蛋白磁共振波谱的非均匀采样重建表明,该深度学习方法能高保真地保持谱峰形状,重建波谱与全采样参考波谱的谱峰相关性超过0.99。此外,该方法还允许更少的采样数据达到与低秩Hankel矩阵重建等前沿方法相同的谱峰相关性,因此允许进一步缩短采样时间。未来该方法还可以拓展到更高的四维/五维度或扩散谱等不同的磁共振实验。相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 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):Accelerated Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy with Deep LearningXiaobo Qu, Yihui Huang, Hengfa Lu, Tianyu Qiu, Di Guo, Tatiana Agback, Vladislav Orekhov, Zhong ChenAngew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201908162导师介绍屈小波https://www.x-mol.com/university/faculty/63991 陈忠https://www.x-mol.com/university/faculty/44747 (本稿件来自Wiley)

来源: X-MOL 2019-10-09

Adv. Mater.:理论首次证实外压可诱导有机分子热电材料功率因子大幅增强

开发可用于室温的低成本、高效率、绿色稳定、安全柔性的能源转换材料是全人类的梦想,在21世纪有机电子学革命的推动下,有机热电材料的蓬勃兴起为人类实现这一梦想提供了无限可能。与传统的无机热电材料不同,有机分子热电材料具有天然的柔性,这使得它们表现出机械灵活性和柔韧性。高性能的有机热电材料是生产可形变和大面积热电器件的先决条件,其可用于人工智能,物联网等新兴领域。近十年来,科学家始终致力于开发高性能有机分子热电材料。目前,人们已经采取多种有效策略显著提高有机分子热电材料的性能,并取得令人振奋的成就。但是,为了满足实际应用,有机半导体的热电效率仍有待大幅提高。在有机半导体中,π共轭小分子通过范德华力松散地组装,形成范德华固体。这种弱的分子间非键相互作用是其在施加小的外部机械力时产生较大结构形变的根源。作为一种有效的非合成策略,施加外部机械力,如静水压力、溶液剪切、离心旋涂、单轴应力等,已被用于调控微观分子堆积结构,从而调控载流子迁移率。另一方面,开发柔性有机电子产品,如集成了场效应晶体管、发光二极管、光伏阵列、热电模块等的可穿戴智能电子设备、电子皮肤、软体机器人等,也需要深入理解材料性能的压力响应。但是,外部机械力究竟如何影响有机半导体中的热−电互换这一关键科学问题仍然是一个未知领域。近期,新加坡科技局高性能计算研究所的杨硕望(Shuo-Wang Yang,通讯作者)博士,石文(Wen Shi,第一作者)博士和新加坡科技局(A*STAR)材料工程研究所的Kedar Hippalgaonkar(通讯作者)博士等人基于密度泛函理论电子结构计算、密度泛函微扰理论声子谱计算、密度泛函微扰理论和瓦尼尔函数插值技术的电子−声子相互作用计算,并结合玻尔兹曼输运理论,以经典有机分子半导体萘为例,基于萘在常压和高压(1.0和2.1 GPa)下的晶体数据,研究了压力对其空穴型热电性质的影响,并揭示其背后原因。此外,通过探究压力对萘热电性能的影响,他们提出了设计高效有机分子热电材料的一般策略。他们发现施加外压可以使载流子迁移率显著提升,从而使电导率显著提高,而塞贝克系数略微下降,最终热电功率因子显著增加。其中萘晶体a和b晶轴方向的功率因子从常压下的34.13和159.5 μW m-1 K-2增加到2.1 GPa下的381.5和585.8 μW m-1 K-2。值得一提的是,尽管常压下的萘的功率因子不高,但其在2.1 GPa下的结果却与目前报道的最好的空穴型有机热电材料相当,这充分说明施加外压是一种有效地提高现有有机分子热电材料功率因子的手段。图1. 常压、1.0 GPa和2.1 GPa下,萘的a 轴和b 轴的热电功率因子。通过更加细致的分析,他们发现晶格振动引起的电子散射的显著抑制是压力诱导功率因子急剧提升的最主要原因。这一结论,也被热致晶体体积收缩引起的功率因子的提升所证明。此外,他们证实抑制低频分子间振动和增加分子间电子耦合可以有效地抑制电子−声子散射。从材料设计的角度看,这两个条件可以通过(1)扩展π共轭骨架,(2)在π共轭骨架上引入长烷基侧链和(3)在π共轭骨架上用杂原子取代来实现。另外,振动频率依赖的电子−声子散射率说明低频分子间声学振动模式对分子半导体中热电传输起主导作用;通过用考虑电子−声学声子散射的形变势模型的计算结果也辅助证明了这一结论。图2.(a)萘的功率因子峰值和本征迁移率的关系。(b)常压、1.0 GPa和2.1 GPa下的萘的振动态密度。(c)并五苯、BTBT和C12-BTBT的化学结构和分子堆积结构。(d)常压、1.0 GPa和2.1 GPa下的萘和并五苯、BTBT和C12-BTBT的弹性常数。(e)平均散射时间和能带色散的关系。这一理论研究首次提出施加外压是一种有效的非合成策略,以显著提高现有有机分子半导体的热电功率因子,同时也首次建立了有机电子学中热−电互换与外部压力的关系。在计算方法上,该工作首次实现了在精确计算电子−声子相互作用的基础上,结合电荷离域的能带模型,计算有机分子半导体的热电性质。石文博士期望这一理论工作也可以在未来激发越来越多的基础理论研究(如理论模型和计算方法的完善和开发),投入有机热电这一新兴领域。该理论工作发表在近期的Advanced Materials 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):Unprecedented Enhancement of Thermoelectric Power Factor Induced by Pressure in Small‐Molecule Organic SemiconductorsWen Shi, Tianqi Deng, Gang Wu, Kedar Hippalgaonkar, Jian-Sheng Wang, Shuo-Wang YangAdv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901956

来源: X-MOL 2019-08-04

Phys. Chem. Chem. Phys:卤键本质与特征的计算化学研究

卤键是一种被广泛应用于药物设计和材料科学等多个领域的非共价相互作用。分子内共价结合的卤原子由于其电荷分布的各向异性,其顶端往往会形成一个带正电荷的亲电性区域(σ-hole),这一区域可与亲核基团相互吸引。2013年,IUPAC将“含卤分子实体中卤原子的亲电区域与同一或另一分子实体中亲核区域的净吸引作用”定义为卤键。据此,一般将含卤分子实体称为卤键供体,而将相应的亲核分子实体称为卤键受体。中科院上海药物研究所朱维良(点击查看介绍)研究团队从2008年起运用数据库统计及计算化学等技术手段,对含卤药物与靶蛋白间的卤键作用开展研究,特别关注卤键对含卤药物与蛋白质的结合作用的广泛影响(J. Med. Chem., 2009, 52, 2854; Phys. Chem. Chem. Phys, 2010, 12, 4543),以及对化合物成药性的改变(J. Chem. Inf. Model., 2014, 54, 69),包括用于先导化合物的活性和成药性优化(J. Med. Chem., 2011, 54, 5607),及含卤老药用途的重定位(Repositioning)(Sci. Rep., 2016, 6, 31074)等。该研究团队基于典型卤键结构的几何参数,统计研究了蛋白质晶体结构数据库(PDB)中9类不同电荷状态的含卤配体与蛋白质残基间的卤键作用。其中的卤键供体及受体既可能为中性分子,也可能为带正电或负电的离子(图1)。计算表明,带负电的含卤有机物(如卤代苯甲酸阴离子)表面静电势均为负,没有带正电的σ-hole(J. Phys. Chem. B, 2014, 118, 14223; J. Phys. Chem. B, 2016, 120, 8784; J. Phys. Chem. B, 2016, 120, 610);而带正电的蛋白质氨基酸残基(如精氨酸中的胍基阳离子)一般也不被认为具有亲核性,这也带来了如何理解卤键作用的本质及定义的困惑。图1. 蛋白质晶体结构数据库(PDB)中9类电荷状态不同的卤键作用(图片来源于原文)为了深入探索卤键作用的本质及特征,从而帮助准确理解IUPAC的卤键定义,该团队人员最近设计了几何结构具有高度可比性但电荷状态不同的9种可能的卤键相互作用体系,通过密度泛函理论及波函数分析等多种计算化学方法展开系统研究。结果表明,在蛋白质结合口袋的特殊介电环境中,9类电荷状态不同的卤键作用均可稳定存在,其扣除背景库伦作用后的“净结合能”在涉及Cl, Br, I的体系中最强可分别达到-1.2, -3.4, -8.3 kcal/mol。进一步分析表明,所有卤键体系中轨道作用和色散作用能均为负值,为卤键作用的本质及其“净吸引作用”的基础;而卤键供体和卤键受体间的静电作用既可以是吸引的,也可以是排斥的,并可显著影响总结合能的大小(图2)。图2. 9类电荷状态不同的卤键体系的能量分解结果(图片来源于原文)电子转移分析结果表明,无论卤键复合物的电荷状态如何,卤键的形成过程中总是伴随着从卤键受体向卤键供体的单向电子转移,即便是当卤键供体为阴离子而卤键受体为阳离子时也是如此。因此,这种单向电子转移应当被视为卤键作用的基本特征。此外,卤键形成过程中还伴随着卤键供体和卤键受体的分子内电子再分布,这一电子再分布的方向随体系带电状态而变化,但其结果总是有利于形成更稳定的卤键作用。例如电中性的卤键供体与受体形成卤键后,卤原子将其从卤键受体上得到的电子连同其自身的部分电子一并转移到卤键供体的其他原子上,使得卤素原子本身所带的电子反而变得更少,从而进一步增强了卤原子的亲电性,使其得以与亲核分子作用形成更稳定的卤键。这些结果表明,卤键供体的“固有亲电性”及卤键受体的“固有亲核性”并不会受分子带电状态的影响而完全改变(图3)。阴离子卤键供体的“固有”亲电区域(σ-hole)依然可以接受电子,而阳离子卤键受体的“固有”亲核区域(孤对电子、π体系)依然可以提供电子,从而使得在所有不同带电的卤键体系中均有“净吸引作用”存在。因此,卤键可理解为含卤分子实体中卤原子上“固有的”亲电区域,与同一或另一分子实体中“固有的”亲核区域的净吸引作用。轨道作用和色散作用是卤键作用的基础,而单向电子转移为其特征。这一结果将有助于进一步促进卤键在药物设计、晶体工程、分子识别、超分子自组装等多个相关领域的广泛应用。图3. 卤键作用本质示意图(图片来源于原文)相关研究成果刊登于Phys. Chem. Chem. Phys.,中科院上海药物研究所在读博士研究生朱正诞和毕业生王桂敏博士分别为该论文的第一作者,徐志建副研究员为共同通讯作者。参与前期研究工作的还有卢运祥、杨卓、刘颖涛、陈照强、李亦苏及UCB Pharma的Shi Jiye博士等,研究工作得到国家重点研发计划课题及国家自然科学基金等项目的共同资助。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):Halogen Bonding in Differently Charged Complexes: Basic Profile, Essential Interaction Terms and Intrinsic σ-HoleZhengdan Zhu, Guimin Wang, Zhijian Xu*, Zhaoqiang Chen, Jinan Wang, Jiye Shi, Weiliang Zhu*Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 21, 15106-15119, DOI: 10.1039/C9CP01379B导师介绍朱维良https://www.x-mol.com/university/faculty/22912

来源: X-MOL 2019-07-30

计算化学生物学助力更强大基因编辑工具

CRISPR/Cas系统是存在于细菌和古生菌中抵御病毒的一种获得性免疫系统。近来利用CRISPR/Cas系统靶向识别并切割基因组的特性,CRISPR/Cas系统被发展成为一种可以广泛应用与多物种的基因编辑工具。一种在金黄色葡萄链球菌(Staphylococcus aureus)中发现的新型Cas9(SaCas9),具备了体积更小的优势,使其更利于递送及应用于基因治疗领域。今年刚刚被FDA批准的首个人类体内(In vivo)基因治疗的临床试验中,张锋教授等基因编辑专家共同创立的Editas Medicine就是使用这一SaCas9编辑系统,发挥其体内药物递送的优势,完成了首例遗传性失明基因编辑临床研究的设计及申报。但是相比于更广泛应用的SpCas9在基因组上识别的NGG PAM序列,SaCas9识别一段更长的NNGRRT PAM序列,这很大程度限制了SaCas9在基因组上的识别范围。这样的PAM序列局限性也促进了对于SaCas9蛋白的工程化改造相关工作的开展,例如一种识别更短的NNNRRT PAM序列的SaCas9变体 SaCas9-KKH的发现。近期发表在Journal of the American Chemical Society期刊上的一项研究中,IBM周如鸿研究组及斯坦福大学丛乐课题组结合基于蛋白质结构数据的分子动力学模拟、自由能扰动分析(FEP)以及生物实验技术三个跨学科的技术手段,建立了COMET基因编辑优化平台(Combined Molecular dynamics and Experimental Target validation,COMET)。这是一套针对CRISPR/Cas 系统基因编辑能力的计算预测与实验评估方法学(图1)。并利用此套方法分析了通过蛋白质进化手段获得的SaCas9-KKH对于PAM识别的分子机制,以此验证了COMET方法的可靠性。并且又进一步运用此技术平台获得了不同于SaCas9-KKH PAM识别模式的另外两种突变体:SaCas9-NR和SaCas9-RL(图2)。实验表明,这两种突变体对于野生型SaCas9 识别的PAM序列NNGRRT中第五位的T有明显减弱的偏好性。图1. COMET工作流程总结图2. 利用COMET获得的SaCas9突变体以及野生型SaCas9对于内源基因的切割效率比较。此研究验证了其提出的计算和实验相结合的方法学COMET的可靠性,并且利用这套方法获得了可以识别更宽松PAM序列的SaCas9突变体。研究人员认为,这套方法学可以为今后进一步理解CRISPR/Cas分子作用机制和开发具备新特性的Cas蛋白突变体提供重要理论基础以及技术手段,实现了计算与生物技术的跨学科、跨平台结合,而且还可以应用于其他新出现的基因编辑工具的开发。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):Combined Computational–Experimental Approach to Explore the Molecular Mechanism of SaCas9 with a Broadened DNA Targeting RangeBinquan Luan, Guangxue Xu, Mei Feng, Le Cong, Ruhong ZhouJ. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6545-6552, DOI: 10.1021/jacs.8b13144目前,斯坦福大学丛乐实验室和IBM周如鸿研究组在开展进一步合作,运用计算模拟结合基因编辑实验,联合开发RNA编辑,精确多位点改造等新的编辑与治疗技术,团队正在招募新成员加入,如果你对这一新兴方向的博士研究生机会,或博士后职位感兴趣,欢迎发邮件咨询丛乐教授(congle@stanford.edu),并参考实验室网站(www.conglab.com  )上的相关信息。周如鸿https://www.x-mol.com/university/faculty/41611

来源: X-MOL 2019-07-18

Angew. Chem.:分子内扭转电荷穿梭——一种新型电荷分离过程

电荷分离是人类赖以生存的重要反应之一。地球上几乎所有的生命形式都直接或间接地通过电荷分离将阳光转化为化学能。当前和未来许多人类文明进步的技术核心也倚赖于电荷分离,例如超导和储能等。电荷分离往往是在分子水平上发生的,因此研究电荷分离的分子模型是理解电荷分离机理的重要途径。鉴于电荷分离的过程非常快,分子尺度的电荷分离研究通常十分困难。而发光分子为此提供了一个特别强大的工具,因为电荷分离会影响分子的发光性质。从发光的变化中,科学家们可以推断电荷分离过程中的热力学、动力学和其他光物理甚至光化学性质的详细信息。分子内的电荷分离和转移通常都是单一方向的,即从电子的供体到电子的受体。在一些特殊情况下,这种电荷分离会加剧,例如电子受体与电子供体间受光激发后在激发态会发生分子内垂直扭转,导致电荷的完全分离。中科院大连化物所徐兆超研究员和新加坡科技设计大学刘晓刚教授等,借助有机荧光染料多维的荧光信号(强度、寿命、波长等),以荧光染料构效关系与理论计算交叉结合为出发点,发现了一种电荷在供体和受体间往返转移的过程。他们把这种新型的电荷转移过程命名为分子内扭转电荷穿梭(Twisted Intramolecular Charge Shuttle, TICS)。模型染料分子受到光照激发后,在基态作为电子供体的二烷基胺在激发态转变为电子受体,并迅速随着自身90°的扭转由电子受体再次转变为电子供体,由局域激发态转变到TICS激发态,从而实现了电荷的往复“穿梭”(图1a)。该机制的发现进一步推进了分子水平上对光诱导电荷转移机制的理解,在光电转换、光催化等领域将具有重要价值。图1. (a)分子内扭转电荷穿梭(TICS)的过程示意图;(b)一个基于TICS机理的GSH荧光探针。探针反应前,TICS过程淬灭派洛宁的荧光,只有细胞核染料发蓝色荧光;探针遇GSH反应后TICS消除,“红色”派洛宁荧光也随之出现。研究人员发现,TICS在染料分子中普遍存在,包括BODIPY、派洛宁、C-派洛宁、Si-派洛宁和香豆素等。TICS是一种荧光淬灭态,调控TICS的形成可应用于荧光传感。例如,随着环境粘度的增大,分子内的扭转被抑制,TICS被限制后荧光增强。将TICS的转子通过生化反应取代,也可消除TICS从而使荧光恢复(图1b)。这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上,文章的共同第一作者是新加坡科技设计大学的迟伟杰博士和大连化物所的乔庆龙博士。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 Photoexcitation‐Induced Twisted Intramolecular Charge ShuttleWeijie Chi, Qinglong Qiao, Richmond Lee, Wenjuan Liu, Yock Siong Teo, Danning Gu, Matthew J. Lang, Young-Tae Chang*, Zhaochao Xu*, Xiaogang LiuAngew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7073-7077, DOI: 10.1002/anie.201902766导师介绍徐兆超https://www.x-mol.com/university/faculty/22757

来源: X-MOL 2019-07-14

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 ComputationAngew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7107-7112, DOI: 10.1002/anie.201902777导师介绍Andrei G. Kutateladzehttps://www.x-mol.com/university/faculty/56117Elizabeth H. Krenskehttps://www.x-mol.com/university/faculty/29249Craig M. Williamshttps://www.x-mol.com/university/faculty/29255参考资料:1.https://chemistry.du.edu/about/faculty-directory/andrei-kutateladze2.https://scmb.uq.edu.au/profile/999/elizabeth-krenske3.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

让小液滴悬浮,做“无容器”反应

副标题:声镊-质谱新技术阐释过氧化破坏膜结构微观机理有什么办法可以让水滴、串珠甚至活着的小虫子毫发无损地悬浮起来?魔法世界里可以像哈利波特那样施一个“漂浮咒”,现实世界里就要想其他办法了。先来看一段视频:视频来源:南开大学张新星课题组你没看错,这也不是魔术。这是南开大学化学学院的张新星课题组采用声镊技术搭建的声悬浮(acoustic levitation, AL)装置。就像视频中那样,这种声悬浮装置能囚禁加湿器产生的水雾并凝聚成悬浮水滴,大小不一的串珠(图1左)以及张牙舞爪的小虫子(图1右),也都可以“漂”在空中。无需高压、强磁场、真空,悬浮样品随意取放,便携、操作简单且安全,甚至可以在家庭和中小学作为科普教具使用。图1. 声镊装置悬浮串珠(左)和活虫(右)。图片来源:南开大学张新星课题组这种声镊装置的“秘密”,就在上下两个碗状的超声波换能器阵列中(图2A、B)。超声波换能器,即超声波发生器,网上一搜一大堆,最常见的应用是号称“狗见愁”的驱狗器,怕狗人士的必备。这种声镊装置使用的是普通市售的超声波换能器,发出40 kHz频率的超声波,重点在于每个换能器的相对位置都经过严格的数学模拟所确定,经过编程所有换能器发出完全一样的声波,以确保声波通过干涉在轴向形成单轴驻波(图2C)。图2. 声镊装置实物和原理图。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.显然,设计这种声镊装置并不是为了好玩,张新星课题组希望用它来操控物体,进行更多此前难以进行的研究。提到声镊,估计不少读者会想到著名的光镊。2018年的诺贝尔物理学奖的一半颁给了光镊技术的发明者阿瑟•阿什金。光镊技术运用“激光之力”操控物体,如细菌、细胞甚至是DNA等,已经在生物学领域实现了广泛的应用。但正如英国布里斯托大学教授Bruce Drinkwater所说,“光镊是一种美好的技术,但总是有点危险,几乎要杀死被移动的细胞。”相比之下,达到相同的操纵效果,声音对生物体系的损害要小得多,几可忽略不计,声镊技术将更有希望应用于生物和医药领域。此外,与另一种著名的悬浮技术——磁悬浮相比,声悬浮对被悬浮物体的材质或磁性并不挑剔。基于此,张新星课题组近日联合加州理工学院Beauchamp教授课题组使用自行开发的声镊-场致液滴电离质谱(AL-FIDI-MS)技术,以全新的视角研究了光动力疗法在分子层面的反应机理。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,第一作者、第二作者分别为南开大学化学学院博士研究生慕超男和硕士研究生汪杰。癌症的光动力疗法在临床上已经得到了广泛的应用,尽管人们对其基本作用机理的认识相对成熟,但对其作用的分子机制其实了解甚少,比如光敏剂产生的单线态氧和底物分子(比如不饱和磷脂)之间的反应在分子水平上的细节和结果至今仍并不清楚。该研究团队另辟蹊径,结合声镊和场致液滴电离质谱技术来研究光动力疗法中脂氧化的分子机理。其中,声镊装置使得液滴悬浮,成为“无容器”的反应器,以完全排除容器壁接触带来的干扰。图3. AL-FIDI-MS实验装置图。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.如图3所示,FIDI-MS的两个电极与声镊装置联用,其中一电极为高压脉冲电极,另一电极为接地质谱仪入口。在触发瞬时脉冲电压之后,被悬浮在两个电极间的液滴会被撕扯成纺锤状,形成双向“泰勒锥(Taylor cone)”,进入质谱被检测(图3C)。由于泰勒锥释放的微小液滴是由原液滴表面撕扯出来,因此该技术具有高达1到10万倍的气液界面选择性。值得一提的是,图3C的双向泰勒锥由华为手机Mate 10 Pro的慢速摄影模式拍得。(咳咳……华为市场团队,如果看到本文请主动联系X-MOL交一下广告费……)具体实验中,该研究团队以最常见的temoporfin作为光敏剂,研究了18:1心磷脂(CL)和POPG磷脂的过氧化反应。在气液界面处,亲脂性的temoporfin倾向于聚集在疏水相,650 nm波长的红光(就是我们平常生活中所用的红色激光笔)照射下(图3B),光敏剂所产生的单线态氧攻击18:1心磷脂或POPG的疏水端油基链上的双键。质谱检测到带有四个不饱和链的18:1心磷脂的氧化产物CL(OOH)1-42-和POPG的氧化产物POPG(OOH)-。通过检测CL和POPG的氧化产物碰撞解离碎片发现,CL和POPG的每条不饱和脂肪酸链分别只被氧化一次(图4)。图4. CL和POPG氧化产物的质谱学分析。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.单线态氧攻击和氧化碳长链中不饱和双键生成过氧化物的机理已被大家熟知(图5A),那为什么单线态氧没有继续氧化带有-OOH基团的不饱和碳链,也就是说,为什么每条链只被氧化一次呢?作者们给出了很好的解释:氧化反应发生在疏水区域,而发生氧化后,碳长链上带有的氢化过氧基团(OOH)将会显著增加碳链的亲水性,强行将其“拽离”氧化的“主战场”(疏水区域),将其“拖至”水相部分,与水分子形成氢键,从而导致其避免进一步被氧化(图5B)。而这一行为将会扰乱磷脂排列,最终导致细胞膜的渗漏甚至细胞的死亡。这一解释在其他研究者们的分子动力学模拟计算结果中也有提出,而该研究团队则首次直接运用实验手段在分子层面上直接进行了证明,意义重大。图5. 界面磷脂过氧化的分子机理。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.综上所述,张新星课题组与Beauchamp教授课题组结合声镊和场致液滴电离质谱技术,以全新的视角研究了光动力疗法在分子层面的反应机理。他们发现,光敏剂产生的单线态氧和带有多条不饱和链的磷脂底物分子反应,只会将每条不饱和脂肪酸链分别只氧化一次,且产生的带有-OOH基团的不饱和碳链不会被继续氧化。这是由于-OOH导致链的亲水性显著增加,被“拖至”水相,增加膜渗透性并最终引发癌细胞死亡。声镊技术在本项工作中发挥了显著的作用,也有潜力应用于更多研究领域。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):Mass Spectrometric Study of Acoustically Levitated Droplet Illuminates Molecular-Level Mechanism of Photodynamic Therapy for Cancer involving Lipid OxidationChaonan Mu, Jie Wang, Kevin M. Barraza, Xinxing Zhang, J.L. BeauchampAngew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201902815导师简介张新星,南开大学化学学院博士生导师,青年千人计划入选者,主要研究方向为界面化学在生物物理化学、大气化学中的应用,以及分子反应动力学和分子动态学。迄今为止已发表研究论文50篇,其中第一或通讯作者论文35篇。第一或通讯作者论文中包括Nat. Commun.、PNAS、JACS、Angew. Chem.、JPCL 等著名刊物。

来源: X-MOL 2019-05-01

Nat. Chem.:硫醇自组装单层中巯基与金之间不是化学作用,真的吗?

自组装单层(self-assembled monolayer, SAM)是指通过分子与基体表面以及分子间的物理化学作用自发地在固体表面形成的二维单分子层,具有均匀一致、排列紧密和低缺陷等特点。通过改变成膜分子的组成和结构,可以实现精确的表面修饰,获得特定功能的界面,这在医学技术、生物传感、纳米科学、材料科学等领域有广泛的应用和前景。当底物为惰性金属时,巯基(-SH)通常用作成膜分子的端基,因为硫原子与惰性金属有很强的作用力。通常认为硫醇类SAM是基于巯基与惰性金属表面原子的化合键和物理化学作用力诱导下定向排列而得到。由于硫醇类SAM组装条件简单易控、结构稳定有序,为研究表面自组装过程和构效关系等问题提供了理想的模型。但是对于巯基与惰性金属之间的作用力以及氢原子的去向一直还不清楚,研究氢原子的去向对了解硫醇类SAM的物理性质、光谱特征和形成机理具有重要意义,而研究人员一般认为氢原子脱离了巯基的硫。事实果真如此吗?近日,美国哥伦比亚大学的Michael Inkpen博士和Latha Venkataraman教授等人的研究成果颠覆了目前公认的观点。他们利用扫描隧道显微镜断裂分子结(STM-BJ)技术系统研究了在SAM和溶液中具有含硫官能团的硫脂肪族和芳香族分子,通过表征分子结形成和打断过程中电导的变化,证明SAM中巯基与金原子通过物理吸附结合在一起,巯基中的氢原子也没有离去。相关工作发表在Nature Chemistry 上。图1. Latha Venkataraman教授。图片来源:Columbia University扫描隧道显微镜技术(STM)的空间分辨能力和对原子分子的操纵能力极强,容易进行学修饰,基于STM提出的扫描隧道显微镜断裂分子结技术(STM-BJ)可以识别单分子结的信息[1,2]。它以STM针尖和一个金属基底为两个电极,针尖在STM控制下循环接触金属基底,在针尖向上提拉时有机分子可能会处于两电极之间形成金属-分子-金属的分子结(molecular junction)。如果电极间中没有形成单分子结,则电导率会急剧地降为0,反之则会在某一电导率下有所停留。基于该过程中通过针尖的电流信号与距离之间的曲线图会观测到电导台阶即对应单分子结的电导。使用STM-BJ,作者表征了溶液和SAM中1,12-二疏基十二烷(C12(SH)2)形成分子结的电导变化(图2),发现在溶液中分子结电导峰为3.3×10-6 G0(图2,红线),在SAM中时电导峰仅为9.0×10-7 G0(图2,蓝线),而其它方面两者都相同。作者认为这可能因为在溶液中巯基与金是化学吸附作用,形成金硫键时氢原子离去,在SAM中巯基与金是物理吸附作用,氢原子未离去(图2b)。作者研究了一系列含硫的正十二烷的衍生物,发现溶液中C12(SMe)2形成分子结的电导峰(9.1×10-7 G0)(图2,黑线)与SAM中C12(SH)2(9.0×10-7 G0)和C12(SMe)2(9.7×10-7 G0)(图2,灰线)的电导峰基本一致。而C12(SMe)2与金之间只有物理吸附作用,这证明SAM中C12(SH)2与金之间也应该是物理吸附作用。图2. 溶液或者SAM中1,12-二疏基十二烷形成分子结的电导变化。图片来源:Nat. Chem.为了证明该结果,作者合成了C12(SAuPBu3)2,它的硫金键是由化学吸附作用形成的,在溶液中其形成的分子结电导峰为3.0×10-6 G0(图2,黄线),这与溶液中C12(SH)2的电导峰接近。当正十二烷衍生物一端为-SH,另一端为-SMe时(C12(asym))(图2,绿线),在SAM中分子结电导峰为1.0× 10-6 G0,与C12(SH)2的结果类似。另外,在SAM中MeS-C12-S-S-C12-SMe的电导峰为8.0× 10-7 G0(图2,紫线)。综上所述,SAM中C12(SH)2与金之间应该是物理吸附作用,在溶液中只有C12(SH)2和C12(SAuPBu3)2的电导峰较高,这应该是因为它们两端都是通过化学吸附作用相连。作者还用C10(SH)2和C8(SH)2进行了证明,结果与此一致。另外,作者先表征了在SAM中硫醇分子形成分子结的电导峰,然后将其放在溶剂中再测试,两次结果一致,排除了在溶液和SAM中测量时环境对电导峰影响的可能性。为了证明C12(SH)2分子结的电导峰是不受碳链骨架的影响,作者又研究了三联苯的类似物(图3a),它们两侧的终止端分别是-SH、-SMe和-SAuPPh3。从这三种物质的电导峰结果可得,其变化趋势与正十二烷衍生物的结果一致(图3b)。另外,作者利用二维直方图描述了Ph3(SH)2在溶液和SAM中针尖远离基底时电导的变化情况(图3c-d),结果证明在溶液中分子结的电导变化趋势是倾斜的,而在SAM中会有一段距离保持不变,这也为SAM中巯基与金之间是物理吸附作用提供了证据,因为物理作用主要是与未配位的金原子结合,而化学吸附作用可以有多种接触几何构型[3]。该实验结果也证明分子骨架不是碳链也可以得到与C12(SH)2一样的结果。最后作者还基于密度泛函理论对该过程进行了计算(图4),结果也证明SAM中巯基与金之间是物理吸附作用。图3. 不同三联苯的类似物形成分子结的电导变化。图片来源:Nat. Chem.图4. 基于密度泛函理论计算含硫端基的烷烃化合物形成分子结的电导变化。图片来源:Nat. Chem.总结Latha Venkataraman教授等人利用STM-BJ证明了在硫醇类SAM中巯基与金基底之间是物理作用,并且氢原子依然保留在巯基中,并未离去。而在溶液中硫醇分子与金之间是化学作用,证明只有金表面存在过量硫醇分子时才可能形成硫金键,并且氢原子离去。该结果也与金基底上硫醇类SAM流动性较高相符合。通过研究硫醇类SAM中巯基与金之间的作用力有利于寻找新型的制备SAM的方法,也为构建稳定的SAM提供了依据。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):Non-chemisorbed gold–sulfur binding prevails in self-assembled monolayersNat. Chem., 2019, 11, 351–358, DOI: 10.1038/s41557-019-0216-y导师介绍Latha Venkataramanhttps://www.x-mol.com/university/faculty/1419参考文献:1. Measurement of Single-Molecule Resistance by Repeated Formation of Molecular Junctions. Science, 2003, 301, 1221-1223, DOI: 10.1126/science.1087481http://science.sciencemag.org/content/301/5637/12212. 单分子结的构筑及分子电导性质的测试[J]. 物理化学学报, 2012, 28, 2237-2248http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/abstract/abstract28212.shtml3. Structure−Property Relationships in Atomic-Scale Junctions: Histograms and Beyond. Acc. Chem. Res., 2016, DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00004https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.6b00004(本文由Sunshine供稿)

来源: X-MOL 2019-04-26
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