2015年化学领域重要成果回顾

在刚刚过去的2015年，化学领域有哪些振奋人心的研究成果？化学领域知名媒体《化学化工新闻》( C&EN) 为我们做出了总结。

材料科学：能注射进体内的柔性电子产品

柔性电子产品(flexible electronics)是近年来方兴未艾的一个研究领域。有别于目前的电子产品，柔性电子产品通过采用新型材料和加工工艺大幅提高产品的柔性和韧性，使得电子产品可以被方便地弯曲或者折叠。在2015年，哈佛大学Charles Lieber教授领导的研究小组在柔性电子产品领域做出了大胆的尝试：他们用直径小于1微米的金的细线编织成三维的电极。由于具有良好的柔性，这个网状结构可以被高度压缩到注射器的针头内，被注射到小鼠的大脑中，随后在大脑内部充分展开并可以用来监测小鼠大脑的活动。目前已经有一些电子设备被批准植入脑中用于治疗各种疾病，但这些设备往往柔顺性还不够，使用过程中容易对身体造成损伤，而这一新的研究无疑有助于打造性能更加优越的植入式电子设备。

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为了将网状电极注入生物体内，研究人员首先将针头插入皮下指定位置，随后在压缩针筒挤出网状电极的同时以同样速度将针头回抽，这使得网状电极在体内展开，并且有一小部分留在体外可以与其他电子线路相连

相关论文：Syringe-injectable electronics

Syringe Injectable Electronics: Precise Targeted Delivery with Quantitative Input/Output Connectivity

材料科学：3D打印技术的新突破

2015年3月，美国北卡罗来纳大学教堂山分校Joseph DeSimone教授宣布他带领的研究小组成功开发出一种被称为CLIP的新型3D打印技术，其加工速度达到现有3D打印技术100倍。他们瞄准了3D打印技术中的一种主要的类型——使用感光性树脂的立体平板印刷，将现有技术中储存液态树脂的容器底部由不透气的玻璃换成可以让氧气透过的特殊塑料，这一小的变化成功克服了现有立体平板印刷技术难以实现连续加工的难题，因此大大提高了3D打印的加工速度。

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利用CLIP技术加工埃菲尔铁塔的模型

相关论文：Continuous liquid interface production of 3D objects

关于CLIP技术的详细介绍请见【3D打印需要什么样的“墨水”？（三）】

材料科学：有洞的液体

多孔材料在分离提纯、催化等许多领域都有着重要应用，但多孔材料通常只能以固态形式存在，在一些场合它们的应用受到限制。而另一方面，液体由于其流动性，除了分子间的微小空隙，任何孔洞都不可能永久存在其中。但在2015年，来自英国贝尔法斯特女王大学的研究人员却挑战了传统理念，成功开发出世界上第一种 “多孔液体” 。他们成功的秘诀在于将一种多孔固体溶解在特定的液体中，这种液体的分子太大，无法进入多孔固体的孔隙，因此孔洞就得以永久保留在液体中。业内人士高度评价这项研究，认为它会给多孔材料的开发开辟新的领域。

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将多孔材料与冠醚按照1：12的摩尔比混合，即得到了能够永久保持多孔性的液体

相关论文：Liquids with permanent porosity

材料科学：二维材料家族喜添新成员

二维材料指的是厚度只有一个或者几个原子的材料。与常规材料相比，二维材料往往有着独特的性质，在电子、能源等领域有望发挥重要的作用。2004年，研究人员成功制备出第一种二维材料——石墨烯。此后，来自世界各地的研究人员都在尝试制备新的二维材料，而在2015年，这一领域也是捷报频传。来自美国和意大利的研究人员在硅的二维材料“硅烯”(silicene)这一研究领域取得重要进展。虽然在此之前人们已经成功制备出硅烯，但由于它在空气中不稳定，很难将它用于制造电子器件。此次研究人员通过改进制备工艺，成功用硅烯构建了场效应管。来自美国西北大学的研究人员则发现通过在溶液中超声的办法可以方便地获得黑磷的二维材料。另一方面，在开发由过渡金属碳化物和氮化物形成的二维材料（通称为MXene）方面，研究人员也取得新的突破。来自美国的研究人员预测，有更多的过渡金属碳化物和氮化物可以形成稳定的二维材料。

相关论文：Silicene field-effect transistors operating at room temperature

Solvent Exfoliation of Electronic-Grade, Two-Dimensional Black Phosphorus

Two-Dimensional, Ordered, Double Transition Metals Carbides (MXenes)

有机化学：给有机化学家一颗“定心丸”

有机合成中许多原料都对氧气或者水异常敏感，因此使用时必须借助操作复杂的无水无氧技术，如果控制不当，不仅往往无法得到应有的产物，甚至会造成严重的安全事故。例如在2009年，美国加州大学洛杉矶分校的一位学生就因为在使用在空气中高度易燃的叔丁基锂时操作不当引发火灾而不幸遇难。在2015年，美国麻省理工学院Stephen L. Buchwald教授领导的研究小组开发出一种更加方便地使用对空气或者水敏感的化合物的方法——将它们事先封装在石蜡制成的胶囊中。这种封装技术简便易行，而且被密封在胶囊内部的化合物可以得到很好的保护。实验表明，把这种胶囊暴露在空气中一年或者在水下浸泡一晚，封装在内部的化合物仍然不会发生变化。当需要使用这些化合物时，只要将胶囊放入反应容器，随后加热使得石蜡熔化，化合物就会从胶囊中被释放出来参与反应，而石蜡由于其化学惰性，不会干扰反应，反应结束后可以很容易被除去。Buchwald教授表示，他很有兴趣将这种技术商业化。

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Buchwald研究小组成员、博士后Aaron C. Sather展示这种胶囊

相关论文：Dosage delivery of sensitive reagents enables glove-box-free synthesis

有机化学：镍的化合物引领催化剂新潮流

制药、电子、能源等领域的许多产品都离不开过渡金属催化的有机化学反应。目前的过渡金属催化剂主要基于金属钯，但由于钯稀有且昂贵，人们一直希望能够以铁、镍等更加廉价金属取代。在2015年，研究人员在基于金属镍的催化剂的研究领域取得多项重要进展。镍的化合物不仅可以代替钯催化剂催化类似的反应，而且可以与钯催化剂共同作用实现新的化学转变。这些成果让人们对镍催化剂的未来充满希望。

相关论文：Nickel-Catalyzed Monoarylation of Ammonia

Conversion of amides to esters by the nickel-catalysed activation of amide C–N bonds

Multimetallic catalysed cross-coupling of aryl bromides with aryl triflates

有机合成：全自动合成小分子化合物

走进几乎任何一间有机合成实验室，你都会看到研究人员不停地与各种化学试剂和玻璃仪器打交道，辛勤地合成各种小分子化合物。那么能否将小分子的合成自动化，从而将研究人员从繁重的劳动中解放出来呢？由美国伊利诺伊大学Martin D. Burke教授领导的一个研究小组借鉴多肽固相合成的原理，成功开发出一套自动合成的仪器。他们将待合成的分子分解成若干个结构单元，每个结构单元都含有A和B两种特定结构的一个或者全部，而这两种结构之间可以发生一种被称为铃木反应的化学反应，从而使得这些结构逐一结合起来得到目标分子。为了防止副反应的发生，例如同一分子上的A和B结构互相反应，他们事先将其中的一种结构用含有硼的化合物保护起来，在反应进行前将这个保护基团去除。这样，通过反复进行去除保护基团、发生化学反应和纯化三个步骤，仪器就可以自动合成特定的分子结构。这个研究小组成功利用他们建造的仪器合成了多种不同的化合物。这种全自动合成系统有望在药物开发等领域为研究人员带来极大的便利。

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Burke教授领导的研究小组建造的全自动合成系统

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全自动合成小分子化合物的原理示意图：第一个分子（蓝框表示）的保护基团（黑色部分）首先被去除(D)， 然后与第二个分子（红框表示）发生反应(C)，反应产物经纯化(P)后可以继续与其他分子反应

相关论文：Synthesis of many different types of organic small molecules using one automated process

生物技术： 从葡糖糖到吗啡的完整的生物合成路线

2015年见证了生物技术领域又一重大突破——通过基因工程让酵母菌以葡萄糖为原料合成吗啡以及相关的化合物。从葡萄糖到吗啡的生物合成路线十分复杂。来自加拿大的一个研究小组首先通过基因工程成功让酵母菌以中间产物（S）-牛心果碱为原料合成吗啡的前体可待因，相当于完成了整个路线的后半部，此后该研究小组与来自美国加州大学伯克利分校的研究人员合作，成功通过基因修饰让酵母菌以葡萄糖为原料合成（S）-牛心果碱的同分异构体（R）-牛心果碱。随后，来自英国的研究人员成功鉴定出罂粟体内将（S）-牛心果碱转化为（R）-牛心果碱的酶。最后，在2015年8月，来自美国斯坦福大学的研究人员成功地将完整的合成路线在酵母菌体内实现，整个过程需要20多个来自细菌、植物、哺乳动物和酵母菌自身的酶的共同作用。虽然这一成果让一些人担心制造毒品会变得更加便利，研究人员表示，要想真正实现利用酵母大规模生产吗啡，仍然有许多后续工作要做。

相关论文：Synthesis of Morphinan Alkaloids in Saccharomyces cerevisiae

An enzyme-coupled biosensor enables (S)-reticuline production in yeast from glucose

Morphinan biosynthesis in opium poppy requires a P450-oxidoreductase fusion protein

Complete biosynthesis of opioids in yeast

生物技术：给转基因生物装上“安全阀”

转基因生物已经在我们日常生活 的诸多方面发挥重要作用，但担心转基因生物尤其是转基因细菌会逃逸到环境中造成难以预测的影响也成为阻碍转基因技术应用的一个重要因素。为此，研究人员一直尝试从技术上提高转基因生物的生物安全性，而2015年也见证了这一领域多项重要成果的诞生。在年初，来自美国哈佛医学院和耶鲁大学的两个研究小组分别通过基因修饰让大肠杆菌必须依赖自然界不存在的氨基酸来存活。这种细菌一旦逃逸到自然环境中，由于缺少必需的氨基酸来合成蛋白质，很快就会死亡。这种方法能够有效降低转基因细菌逃逸至自然环境后存活并且繁殖的可能，但技术上比较复杂，不利于大规模应用。因此，来自美国麻省理工学院的研究人员又提出了另一种更为简便易行的方法：通过引入外源基因在细菌体内构建复杂的回路。例如它们首先向细菌基因组内转入能够合成致命毒素导致细菌死亡的基因，再转入另外的基因来抑制这个毒素合成基因发挥作用，而这些基因只有在特定化合物存在时才能起到抑制作用，这就相当于给转基因细菌加上一道密码锁，进一步增加了它们在自然环境中生存的难度。

相关论文：Biocontainment of genetically modified organisms by synthetic protein design

Recoded organisms engineered to depend on synthetic amino acids

‘Deadman’ and ‘Passcode’ microbial kill switches for bacterial containment

药物开发：“掘地三尺”寻找新的抗菌药物

土壤中生活着大量的微生物，其中许多微生物为我们贡献了征服细菌、挽救生命的抗生素。然而据估计土壤中的微生物有99%都无法在实验室环境中培养，而这些微生物中很有可能蕴藏着更多的宝藏。为了更好地探寻土壤中的微生物的潜在价值，来自美国东北大学的研究人员将一种被称为iChip的培养装置埋入土壤。与常规的技术手段相比，这种培养装置能够更好地培养生活在土壤中的微生物。利用这种技术，研究人员对土壤中的微生物进行了筛选，成功发现了一种此前从未被报道过的抗生素，将其命名为teixobactin. 实验表明，teixobactin能够有效杀灭包括多种耐药细菌在内的革兰氏阳性细菌。在细菌耐药性日趋严重，而新的抗菌药物开发又趋缓的今天，这一发现无疑具有重要的应用价值。

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Teixobactin的化学结构式

相关论文：A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance

分析与表征：电子显微镜技术更上一层楼

电子显微镜由于有着比光学显微镜高得多的放大倍数，一直是科学家们认识微观世界的利器，而在2015年，研究人员在这一领域也取得许多重要成果。一方面，冷冻电子显微镜等新技术的发展使得研究人员能够以近乎单个原子尺度的分辨率来观察蛋白质等生物大分子的结构。长久以来蛋白质的结构测定几乎是X射线衍射技术的专利，但许多蛋白质分子要么难以结晶，要么形成的晶体太小无法用X射线晶体学技术测定结构，而电子显微镜技术的进步有力地弥补了X射线衍射技术的不足，使得研究人员更好地探索生命的奥秘。另一方面，来自美国加州大学伯克利分校的研究人员成功用电子显微镜观察了纳米颗粒在溶液中的结构。由于纳米颗粒在溶液中处于不断的运动状态，常规的电子显微镜技术很难清晰观察到它们的结构。为了克服这一难题，研究人员将含有纳米颗粒的溶液载入由石墨烯制成的样品池中，通过快速曝光获得纳米颗粒在某一时刻的图像，再通过数学方法将这些图像叠加获得三维结构信息。由于纳米颗粒在催化等领域有着重要应用，这一成果有助于更好地研究纳米颗粒结构与性能的关系。

相关论文：Near-atomic cryo-EM structure of the helical measles virus nucleocapsid

Structure of the toxic core of α-synuclein from invisible crystals

3D structure of individual nanocrystals in solution by electron microscopy

原文链接 (文中插图均来自原报道）

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