X-MOL盘点：8月前沿科研成果精选

X-MOL团队从上月报道过的Nature、Science、Nature Chemistry、JACS等杂志的研究论文中，精选部分有意思的科研成果，以馈读者。

（一）三思而后行！Nature报道像化学家一样探索新反应的“AI”机器人

Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0307-8

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Controlling an organic synthesis robot with machine learning to search for new reactivity

化学家在探索新反应和创造新分子的过程中，首先会进行一些初步尝试，在对结果进行归纳总结后，根据自己的专业知识、经验甚至直觉来指导下一步实验，如此重复直至获得成功或者接受失败而终止探索过程。尽管现今的机器人领域已经获得了长足的进步，但这种“三思而后行”的能力却是机器人们的软肋。英国格拉斯哥大学的Leroy Cronin教授等研究人员却发现，机器人也可以拥有人类化学家的“直觉”。为了证明这一点，他们开发了新的机器学习（machine learning）算法控制有机合成机器人，可以在完成实验后独立“思考”，以便搞清楚并决定下一步该如何进行。与人类化学家在实验中采取行动的方式一样，机器人也可以独立自主地探索化学新反应和新分子，此外，它们更具备了准确预测化学反应结果的能力。通过实时探索化学空间，它可以帮助化学家探寻出更多、更有用的分子和反应，可以让药物研发过程降低成本、缩短时间、减少浪费。毫无疑问，智能机器人的出现正让化学变得更简单，并将促进化学进入新的数字化时代。

（二）桑拿天？有了这种水凝胶，或许空调都可以不要了

Energy Environ. Sci., DOI: 10.1039/C8EE00902C

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A super hygroscopic hydrogel for harnessing ambient humidity for energy conservation and harvesting

盛夏季节，高温携手高湿形成的“桑拿天”是很多人的梦魇。不少人离开空调就几乎无法生存，空调不仅能降温，也可以通过冷凝降低室内湿度度，让人体感觉更加凉爽舒适。但是，这种舒适感的代价却是用电量的飙升。新加坡国立大学（NUS）的Swee Ching Tan教授团队报道了一种超吸湿多功能锌氧化物水凝胶体系，不仅能够吸收约230%自身重量的水汽，而且还可以基于湿度刺激实现体系光学、电学及电化学性能的变化，从而首次将空气中的湿气作为一种资源，在不耗电的情况下降低室内湿度，阻挡阳光中的红外线（IR）和紫外线（UV）从而降低室温，甚至为小型器件供能，在建筑、汽车、电子等领域具有重要的应用前景。不过，作者也承认，这种水凝胶如果作为智能窗户功能涂层来对付“桑拿天”，可能更适合类似新加坡这种终年高热潮湿的热带城市。

（三）清华大学郑泉水团队Nature Mater.：微米尺度异质界面上的稳定结构超滑

Nat. Mater., DOI: 10.1038/s41563-018-0144-z

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Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal boron nitride layered heterojunctions

数十年前就有人提出，两个原子级光滑并且以原子排列非公度接触的固体表面之间可能实现“零摩擦”，这个概念在后来被称为“结构超滑（structural superlubricity）”。结构超滑概念提出二十多年后的2004年，Joost Frenken教授团队才在高真空条件下首次在实验上证实纳米尺度的结构超滑可以实现。随后，清华大学郑泉水教授团队以及之后的多个研究团队将结构超滑的研究拓展到了微米尺度。最近，清华大学郑泉水教授领导的一支跨学科团队发现在石墨和六方氮化硼单晶（hBN）构成的微米尺度异质界面中存在结构超滑，其各向异性要比均质界面中的要低几个数量级，而且这种超滑特性在大气环境条件下持续稳定存在，并且对外部负载表现出几乎无磨损的运动。通过全原子分子动力学模拟，作者进一步揭示了同质和异质范德瓦尔斯界面摩擦各向异性的不同机制。这一发现为更大尺度下的结构超滑提供了一个新的设计方案。

（四）颠覆教科书的发现：13C KIE研究揭示芳香亲核取代反应机理

Nat. Chem., DOI: 10.1038/s41557-018-0079-7

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Concerted nucleophilic aromatic substitutions

芳香亲核取代（S_NAr）反应最早发现于十九世纪末期，是名副其实的百年经典反应，在各合成领域中均有广泛的应用。至此，S_NAr反应经历加成-消除两个分步过程的观念被有机化学界广为接受。哈佛大学的Eric Jacobsen课题组长期致力于反应机理的研究。对于“分步还是协同”这个经典问题，Jacobsen课题组的Eugene Kwan博士和曾裕文博士等研究者尝试用¹²C/¹³C动力学同位素效应（KIE）来回答。由于¹³C KIE能够提供反应过渡态（TS）中碳原子成键/断裂时的直接信息，在反应协同性研究中具有先天的优势。研究显示S_NAr反应可以具有三种不同的反应路径，这不仅异于人们在教科书上所接触到的简单图示，同时也有些颠覆常规理论。研究者选取了120个常见的S_NAr反应，这些反应涵盖了不同的芳香体系、亲核试剂和离去试剂，具有普遍的代表性。计算结果显示，在这120个反应中，仅有21个反应存在稳定的Meisenheimer中间体。该结果不仅向人们展示了协同S_NAr反应的普遍性，也进一步验证了之前的结论：只有在非常缺电子的芳香体系、同时缺乏好的离去基团的情况下，中间体才有可能稳定存在，除此之外，S_NAr反应基本都以协同方式进行。

（五）唐智勇团队Nature Chem.：“硬骨头”聚合物多孔膜，有机体系超快纳滤

Nat. Chem., DOI: 10.1038/s41557-018-0093-9

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Microporous membranes comprising conjugated polymers with rigid backbones enable ultrafast organic-solvent nanofiltration

膜分离技术已经是人们生产生活中不可缺少的一项重要分离提纯技术。相比于在水净化及海水淡化中的成熟应用，聚合物分离膜体系在有机溶剂纳滤分离中的应用相对受限，还存在着不少问题，例如在有机溶剂中稳定性差、缺乏永久性孔结构等。国家纳米科学中心的唐智勇研究员团队采用基于C-C偶联反应的“表面引发聚合”策略制备了大面积的共轭微孔聚合物（conjugated  microporous polymer, CMP）膜，这种膜的骨架由全刚性的共轭体系组成，在有机溶剂中的稳定性很高。这种刚性骨架的CMP膜作为有机纳滤膜还展现出了优秀的截留率和超高的溶剂通量，以聚丙烯腈为支撑基底的CMP膜（厚度~42 nm）在非极性有机溶剂正己烷和极性有机溶剂甲醇中的通量分别高达32和22 l m^-2 h^-1 bar^-1。在同等选择性基础上，过滤速度较目前商用的一维柔性聚合物薄膜高出两个数量级。实验和理论模拟表明刚性CMP膜体系中存在的永久性微孔结构及高孔隙率是其优异纳滤性能的关键。该多孔膜在用于有机溶剂纳滤时可同时具有高溶剂稳定性、高通量及高选择性，有望成为新一代高效膜分离材料，在染料、医药和半导体等领域中有着广阔的应用前景。

（六）Phil Baran携手BMS的Science 巨作：颠覆性合成新方法，推动小核酸制药技术革命

Science, DOI: 10.1126/science.aau3369

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Unlocking P(V): Reagents for chiral phosphorothioate synthesis

作为继小分子药物、蛋白药物之后的第三大新药类型，小核酸药物正推动着制药领域的第三次产业革命。在小核酸药物家族的诸多成员中，反义寡核苷酸（ ASO）药物无疑是最引人关注的代表。近日，美国斯克利普斯研究所（TSRI）的合成化学家Phil Baran教授与制药巨头百时美施贵宝（BMS）的Martin Eastgate、Michael Schmidt等研发者合作完成了一项壮举，他们开发了一种可扩展的基于PSI（phosphorus-sulfur incorporation）试剂的方法，可以精准调控硫代磷酸的立体化学结构，从而促进高立体纯度反义硫代磷酸寡核苷酸药物的合成。他们合成了具有不同磷手性中心的P(V)S-核苷单体，该分子与另一分子核苷发生S_N2反应，可以高产率、高立体专一性地合成一系列不同碱基取代的硫代磷酸二核苷酸。此外，他们还立体专一地合成了不同磷构型的硫代磷酸环二核苷酸以及Spinraza类似物——全Rp构型的硫代磷酸寡（十六聚）核苷酸。这一里程碑式的成果有望给小核酸制药行业带来翻天覆地的变化。

（七）从两篇Nature 的夹缝中“挤出”一篇Nature Chemistry

Nat. Chem., DOI: 10.1038/s41557-018-0087-7

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Design of catalysts for site-selective and enantioselective functionalization of non-activated primary C–H bonds

美国埃默里大学Huw Davies教授课题组选择催化剂控制法来进行选择性碳氢键官能化，他们的研究目标相当大胆：设计三种催化剂分别实现一级、二级、三级碳氢键（1º, 2º, and 3º C–H bond）的选择性官能化。相关发展思路和催化剂的设计理念，在“从一个低级错误到两篇Nature”（点击阅读详细）一文中进行了详细介绍。他们也已成功地发展了两个分别应用于二级碳氢键（点击阅读详细）和三级碳氢键（点击阅读详细）的选择性官能化反应的高效催化体系，并发表了Nature 论文。廖矿标博士和Huw Davies教授等研究者近日报道了一种新型的三芳基环丙烷羧酸铑催化剂。该催化剂可以实现从简单到复杂化合物一级碳氢键的选择性官能化，大多数反应的选择性都超过了仪器的检测极限值：>98:2 r.r., >99% e.e.。此文的发表，意味着“发展三个催化剂分别用于一级、二级和三级碳氢键官能化”的设计目标，以近乎完美的方式实现。

（八）张洪杰院士团队：Au“蛋黄”+多组分“蛋壳”，轻松制备只需“一锅”

Chem. Sci., DOI: 10.1039/C8SC01520A

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A General One-pot Strategy for the Synthesis of Au@multi-oxides Yolk@shell Nanospheres with Enhanced Catalytic Performance

贵金属加上氧化物构成的“蛋黄@蛋壳纳米球（yolk@shell nanosphere，YSN）”具有非常出色的理化性质，在催化、光热治疗、气体传感、药物释放等领域很有应用潜力。YSN结构在催化领域的表现特别引人关注，文献更是称之为“蛋黄@蛋壳纳米反应器”。近日，张洪杰院士团队报道了一种简便、普适且环境友好的策略，通过将氧化还原自组装和氧化还原刻蚀工艺结合在一起，实现了一锅法合成金（Au）@金属氧化物的YSN结构，其中壳层中的氧化物可以是单组分，也可是二元、三元甚至四元氧化物。整个反应在碱性水溶液中进行，无需额外加入保护剂或还原剂。以催化CO氧化为反应模型的实验数据表明，这种YSN催化剂壳层中氧化物相对比例可调，能够方便地优化催化性能。

（九）电镜分辨率的吉尼斯世界纪录

Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0298-5

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Electron ptychography of 2D materials to deep sub-ångström resolution

扫描透射电子显微镜术（STEM）也是广泛应用的表征手段。在STEM中，为获得原子级分辨率最常见的技术是高角度环形暗场（ADF）成像，记录通过大角度散射的电子形成的非相干图像。2009年，电子显微镜ADF图像的分辨率达到了远亚埃级别——约0.5 Å（在电子束能量300 keV条件下）。然而，对于目前热门的二维（2D）材料的表征来说，0.5 Å的分辨率对应的电子束能量300 keV太高，容易造成材料样本的损伤。通常情况下，2D材料一般都在较低的电子束能量下表征，约20～80 keV，但较低的能量意味着较长的电子波长，这使得ADF成像的分辨率大大降低，一般在1 Å左右。近日，美国康奈尔大学David A. Muller教授团队发表文章，利用叠层成像技术（ptychography）和自主研制的电子显微镜像素阵列探测器（EMPAD），在低电子束能量（80 keV）成像条件下，以二硫化钼二维材料为样品，实现了0.39 Å的空间分辨率，刷新了电镜分辨率的世界纪录。相同条件下，常规成像方法分辨率仅达到0.98 Å。有意思的是，一向给人感觉“奇葩百出”的“吉尼斯世界纪录（Guinness World Records）”，也正式认证了这项颇为严肃的世界纪录，康奈尔大学也在官网新闻上大方地确认了此事。

（十）叔丁基锂安全取用装置DIY，还能发篇SCI

Org. Process Res. Dev., DOI: 10.1021/acs.oprd.8b00151

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Improved Safety during Transfer of Pyrophoric tert-Butyllithium from Flasks with Protective Seals

叔丁基锂遇水遇氧都可剧烈反应迅速燃烧，稍有不慎就能触发实验室事故，如果操作不慎，轻者烧伤，重者可能会失去生命。近日，来自丹麦奥尔胡斯大学的Mogens Hinge和Anders T. Lindhardt等研究者介绍了一款他们发明的用于诸如叔丁基锂这类对空气极其敏感、遇水易燃的危险试剂转移装置。用起来也简单，先把那个黑色的固定装置拧在试剂瓶上（密封试剂瓶），然后把那个两端有隔膜密封的转移装置放进固定装置内并固定。取用试剂时，长针头通过转移装置进入试剂瓶吸取试剂，随后将针头上提至转移装置内，取下转移装置带着针头注射器到加样瓶上，将针头插入反应瓶中，滴加试剂完成加料操作。这个装置极大地避免了针头、试剂和空气的接触，至少可以避免因滴滴答答漏液而带来的自燃风险。当然，这套装备看上去似乎比以往搭装置取试剂的方法要省时省力，更适合一次取液多反应瓶加料的操作。