2016年化學領域重要成果回顧

化學四煞完美地避開了正確的實驗操作方法

每年年末，化學領域的重要媒體、美國化學會主辦的《化學化工新聞》(C&EN) 都會出版專刊介紹該年度化學化工領域的重要研究成果。那麼在剛剛過去的2016年，化學領域有哪些重要的研究成果值得關注？筆者在這裡為大家作一簡要的解讀。

編譯 / 魏昕宇

化學反應工藝

連續生產工藝讓藥物生產在幾小時之內即可完成

目前，通用化學品的生產大多已實現連續流動生產，而藥物生產由於工藝的複雜性，仍然採用的是更加費時的分批生產(batch production)的方式。為了改進藥物生產的工藝流程，來自美國麻省理工學院的Timothy F. Jamison, Klavs F. Jensen和Allan S. Myerson等研究人員開發出一套用於藥物的連續流動生產裝置。這套體積只有家用冰箱大小的系統將上游的原料葯的合成與下游的提純和添加輔料成型等步驟結合起來，只需要兩個小時就可以生產出幾百甚至上千粒藥物，大大縮短了藥物生產所需的時間，特別適用於應對突發公共安全事件或者生產用於治療罕見病的藥物。目前研究人員正與企業合作，將這套反應系統商業化。

麻省理工學院的研究人員開發的用於藥物合成的微型連續流動生產裝置，左為反應系統，右為純化和藥物成型系統

相關論文

相關論文：

[1] On-demand continuous-flow production of pharmaceuticals in a compact, reconfigurable system

http://science.sciencemag.org/content/352/6281/61

高分子材料

首次發現能夠降解PET的細菌

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) 被廣泛用於生產飲料瓶等塑料製品。雖然PET製品的回收已經相當成熟，每年仍然有大量廢舊的PET製品被作為垃圾丟棄，造成嚴重的環境污染和資源浪費。

在2016年，來自日本京都工藝纖維大學、慶應義塾大學等機構的研究人員從日本堺市的一處PET製品回收工廠中發現一種能夠以PET作為主要的有機質和能量來源的細菌。這種被命名為Ideonella sakaiensis 的細菌能夠在溫和條件下將PET分解為合成它的兩種原料——對苯二甲酸和乙二醇，這是首次發現能夠降解PET的細菌。

不過這種細菌還存在一些缺陷，例如它偏好無定形態的PET，但大多數PET製品中的PET都是部分結晶的。另外這種細菌降解PET的速度還不夠快，尚不能適應工業化生產的需要。

新發現的能降解PET的細菌Ideonella sakaiensis 以及這種細菌降解PET的化學反應式

相關論文

[2] A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)

http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196

材料學

液態金屬走向實際應用

在2016年，液態金屬吸引了科研人員的關注，在柔性電子產品等領域大放異彩。

液態金屬包括金屬鎵以及鎵的某些合金（注）。這些金屬或合金在室溫下處於液態，其液滴在遇到空氣時，表明會形成一層氧化物薄膜，對液滴起到保護作用。用力擠壓液滴時，氧化物薄膜會破裂，使得液滴可以自由流動，直至氧化物薄膜重新形成。

液態金屬的這一獨特性質啟發研究人員將其用於能夠被高度彎曲或拉伸而性能不受影響的柔性電子產品。例如美國北卡州立大學Michael D. Dickey教授帶領的團隊將液態金屬液滴置於高分子材料中。拉伸高分子材料會使得金屬液滴也一同被拉伸。利用這一方法，他們成功製備出直徑僅10微米的液態金屬導線。來自瑞士洛桑聯邦理工學院的Stéphanie P. Lacour等研究人員也利用液態金屬成功製造出高度柔性的電子器件。

美國普度大學Rebecca K. Kramer及合作者在手套上印製出基於鎵的合金的電路。這種柔性電子器件可以測量手指運動造成的張力

來自美國來自美國愛荷華州立大學的Martin Thuo等研究人員則利用液態金屬的這一特性開發出無需加熱的軟釺焊方法。他們將低熔點的合金添加到特定的溶劑中，加熱合金使之熔化，同時劇烈攪拌，將處於液態的合金分散成直徑只有幾微米到十幾微米的液滴。在這個過程中，液滴表面會形成保護層。當溫度降至合金熔點以下時，保護層的存在使得合金仍然處於液態，但如果稍微用力破壞液滴表面的保護層，液滴就會迅速固化。這一方法使得不經加熱焊接金屬成為可能，有望為許多生產工藝帶來變革。

注

液態金屬還應包括汞以及鈉和鉀的合金，但毒性、安全性等原因限制了這些液態金屬的應用。

相關論文

[3] Drawing liquid metal wires at room temperature

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235243161630075X

[4] Intrinsically Stretchable Biphasic (Solid–Liquid) Thin Metal Films

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201506234/abstract;jsessionid=E745BCFB4A153FF7FB27C18B3C815336.f03t02

[5] Mechanical Fracturing of Core-Shell Undercooled Metal Particles for Heat-Free Soldering

http://www.nature.com/articles/srep21864

有機合成

碳氫鍵活化的新進展

碳氫鍵是有機物中最常見的化學鍵之一，若能夠打斷碳氫鍵，將其中的氫原子用其他原子取代，就可以合成出結構更加複雜多樣的有機物。然而碳氫鍵又具有很強的惰性，因此實現碳氫鍵的活化相當具有挑戰性，也是目前有機化學界研究熱點之一。

來自美國加州斯克里普斯研究所的余金權及其同事經過14年的摸索，成功開發出碳氫鍵活化的新方法。利用基於金屬鈀和喹啉的催化劑，他們成功實現脂肪族醯胺β位（注）碳氫鍵的活化，使得其中一個氫原子被芳香環結構取代，且反應產物具有高度的立體構型選擇性。業內人士評價，這項研究實現了「看上去不可能的任務」。這一新方法將為製藥等行業帶來幫助。

余金權團隊開發出的碳氫鍵活化的反應式

注

在有機化學中，與官能團直接相鄰的碳原子被稱為α位碳原子，α位碳原子旁邊的碳原子，也就是與官能團間隔了一個碳原子的那個碳原子，被稱為β位碳原子。

相關論文

[6] Ligand-accelerated enantioselective methylene C(sp3)–H bond activation

http://science.sciencemag.org/content/353/6303/1023

結構生物學

2016年測定的重要生物大分子結構

在2016年，結構生物學家藉助X射線衍射、冷凍電鏡等研究手段，成功測定了許多重要的生物大分子結構。《化學化工新聞》評選出三項重要成果：

脫氧核酶(或DNA酶，DNAzymes) 是具有催化特定化學反應能力的DNA. 來自德國馬克斯·普朗克生物物理化學研究所的Claudia H?bartner 和Vladimir Pena等研究人員測定了一種名為9DB1的脫氧核酶的結構，這是脫氧核酶的結構首次被測定，有助於我們設計更加合理的脫氧核酶結構。

脫氧核酶9DB1的結構

核孔是鑲嵌在真核生物細胞核核膜上的蛋白質複合物，對細胞核和細胞質之間的物質交換起到了「把門人」的重要角色。在2016年，來自歐洲分子生物學實驗室的Martin Beck帶領的團隊和來自加州理工學院的André Hoelz帶領的團隊分別獨立測定了核孔的結構。

組蛋白去乙醯化酶6 （HDAC6）參與體內許多重要的生理過程，是備受藥物開發者關注的一種酶。在2016年，來自美國賓夕法尼亞大學的David W. Christianson和來自瑞士弗雷德里希·米歇爾生物醫學研究所的Patrick Matthias帶領各自的團體，分別獨立完成了組蛋白去乙醯化酶6的結構測定。

相關論文

[7] Crystal structure of a DNA catalyst

http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7585/full/nature16471.html

[8] Molecular architecture of the inner ring scaffold of the human nuclear pore complex

http://science.sciencemag.org/content/352/6283/363

[9] Architecture of the symmetric core of the nuclear pore

http://science.sciencemag.org/content/352/6283/aaf1015

[10] Structural insights into HDAC6 tubulin deacetylation and its selective inhibition

http://www.nature.com/nchembio/journal/v12/n9/full/nchembio.2140.html

[11] Histone deacetylase 6 structure and molecular basis of catalysis and inhibition

http://www.nature.com/nchembio/journal/v12/n9/full/nchembio.2134.html

診斷技術

可穿戴的感測器成為2016年「新時尚」

通過與手機應用程序配合，可穿戴的智能手環可以幫助使用者監測他們的心率、血壓以及鍛煉的總里程等指標。在2016年，許多研究人員利用先進技術進一步拓展了智能手環的功能。來自韓國首爾大學的Dae-Hyeong Kim等研究人員開發了一款基於石墨烯的智能手環。它能夠檢測使用者的血糖濃度，並且在血糖濃度過高時觸發集成在設備中的微型針頭，向使用者體內注射控制血糖的藥物。美國加州大學伯克利分校Ali Javey教授帶領的團隊開發的智能手環可以通過電化學方法分析使用者汗液中多種化學成分的含量，從而監測使用者的健康狀況。

美國麻省理工學院Timothy M. Swager教授的研究團隊則開發出能夠監測環境中危險化學物質的智能手環。這種智能手環的核心部件是將碳納米管分散到離子液體中得到的混合物，它在遇到待監測的毒物時電阻能夠發生變化。實驗表明，這種設備能夠監測出濃度低達10ppb的有毒物質。

韓國研究人員開發出的能夠實時監測血糖濃度並注射降血糖藥物的智能手環

來自美國加州大學伯克利分校的研究人員開發出的智能手環能夠分析使用者汗液中多種化學成分的含量

相關論文

[12] A graphene-based electrochemical device with thermoresponsive microneedles for diabetes monitoring and therapy

http://www.nature.com/nnano/journal/v11/n6/full/nnano.2016.38.html

[13] Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis

http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7587/full/nature16521.html

[14] Wireless Hazard Badges to Detect Nerve-Agent Simulants

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201604431/abstract;jsessionid=EA4A10D8005AE1C0DD2143A59BD00A90.f04t01

藥物開發

新的抗生素

抗生素是人類對抗致病細菌的重要武器。由於細菌會對抗生素逐漸產生耐藥性，我們必須不斷開發新的抗生素，這樣才能在對抗疾病的戰爭中處於不敗之地。在2016年，研究人員針對這一目標取得了重要的進展。

大環內酯類化合物是抗生素重要的組成部分。在2016年，美國哈佛大學Andrew G. Myers教授帶領的團隊開發出合成大環內酯類化合物的新方法。他們與製藥企業合作，利用這一方法已經合成出約千種新的大環內酯化合物，其中有許多有望成為新的抗生素。

在另一項研究中，德國圖賓根大學大學的研究人員Andreas Peschel及合作者從人的鼻腔中發現能夠殺死金黃色葡萄球菌的新的抗生素。這種被命名為Lugdunin的化合物由另一種葡萄球菌——路鄧葡萄球菌分泌，能夠阻止金黃色葡萄球菌在鼻腔中70%左右的區域生存繁殖。這項研究啟示研究人員，更多新的抗生素或許就藏在我們身上。

圖為Lugdunin的化學結構式

相關論文

[15] A platform for the discovery of new macrolide antibiotics

http://www.nature.com/nature/journal/v533/n7603/full/nature17967.html

[16] Human commensals producing a novel antibiotic impair pathogen colonization

http://www.nature.com/nature/journal/v535/n7613/full/nature18634.html#affil-auth

生物催化

通過酶來形成碳硅鍵

儘管硅是地殼中含量僅次於氧的元素，人們從未在生物體中發現含有碳硅鍵的化合物或相關的合成路徑。但美國加州理工學院Frances H. Arnold教授帶領的研究小組卻發現，在合適的條件下，某些酶其實可以催化碳硅鍵的形成。他們通過篩選，發現一種生活在海底的厭氧細菌Rhodothermus marinus 中的酶——細胞色素c，可以催化含有碳硅鍵的化合物的生成。通過定向進化（directed evolution）手段，他們發現一系列結構上的變異可以讓這種酶的催化效率進一步提高。由於含有碳硅鍵的化合物在實際應用中具有重要的價值，這項研究或將提供合成這些化合物的新方法。

相關論文

[17] Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to life

http://science.sciencemag.org/content/354/6315/1048

催化技術

單原子催化劑取得初步進展

吸附在固體表面上的金屬顆粒催化了許多重要的化學反應，例如石油精鍊的許多重要過程。如果把這些金屬顆粒用金屬的單個原子，首先可以大大節省催化劑的用量，特別是鉑、鈀等較為稀有貴重的金屬的用量；其次由於單個原子具有金屬顆粒無可比擬的尺寸均一性，因此有可能減少副反應的發生，進一步提高催化效率。然而單分子催化劑實現起來難度很大，很長事件以來被研究人員視為近乎科學幻想。

在2016年，多個研究團隊實現了單分子催化的初步進展。來自美國新墨西哥大學的Abhaya K. Datye等研究人員發現，在高溫氧化條件下，鉑的納米顆粒會形成具有揮發性的二氧化鉑，後者在脫離鉑的表面後，能夠被二氧化銫表面重新吸附，形成單分子催化劑。在另一項研究中，我國中國科學院大連化學物理研究所張濤院士帶領的團隊成功開發出製備鈷的單原子催化劑的方法，並且測定了催化劑的結構。這種催化劑不需要使用鉑等貴重金屬，可以被用於催化許多重要的化學反應。

相關論文

[18] Thermally stable single-atom platinum-on-ceria catalysts via atom trapping

http://science.sciencemag.org/content/353/6295/150

[19] Single-atom dispersed Co–N–C catalyst: structure identification and performance for hydrogenative coupling of nitroarenes

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C6SC02105K#!divAbstract