有你的方向吗？IUPAC十项将改变世界的化学创新

2019年对化学人来说是个非常特殊的年份。大名鼎鼎的国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）迎来了自己100周年的生日；同时，今年是门捷列夫首次发表元素周期表150周年，联合国也将今年定为“国际化学元素周期表年”，简称“IYPT 2019”。在这个特殊的年份里，IUPAC特意向全球化学家征集意见并最终评选出了10项最有可能改变人类社会的化学创新。让我们一睹为快吧。

1. 纳米杀虫剂

民以食为天。世界人口不断增长的背景下，农业安全显得格外重要。有预测表明到2050年，地球上将生活近100亿人口。为了增加农作物产量，同时最大限度地减少土地利用对环境造成的破坏，新型杀虫剂的发展势在必行。火热的纳米技术在这方面有可能大有作为。相比于传统的杀虫剂，纳米材料包封的杀虫剂在提高药效的同时，更有针对性。以更小的用量达到杀死害虫的目的，并且不会伤害其他动植物或人类。目前一些纳米杀虫剂在实验室中表现良好，但仍需要更多田间试验进一步评估。加拿大Vive Crop公司是该领域的先行者，他们销售的产品比传统杀虫剂具有更好的吸收性和更少的环境影响。此外，该公司最近还获得了美国环境保护局的批准，将各种纳米包封的杀虫剂和杀菌剂商业化。

2. 对映选择性有机催化

对于年轻的化学家，有机催化可能是个常见的概念，但其实它最早诞生于20世纪90年代后期，是一个年轻的研究方向。传统的催化剂多为金属，成本较高，尤其是贵金属。而大自然则聪明得多，自然界的酶催化反应高效、环保，化学家很想学习一下，于是有机催化的概念应运而生。经过二十多年的发展，有机催化剂已经有了长足的进步。不过仍然有化学家批评它用量大且难以回收，不够“绿色”。诚然，从催化效率上来说，有机催化剂还无法与金属催化剂媲美，但它的成本低得多；而且有机催化的反应类型也比金属催化更为丰富，具有更大的发展空间。例如光氧化还原催化的引入，光活化使得醛类与烯胺的烷基化反应成为可能，这种反应不能用经典的有机催化方法完成。一些高附加值的精细化工品和药物的合成中已经大量使用有机催化剂了。在回收方面，化学家也想出了不少好办法。比如，将有机催化剂固定在稳定的固体基质上，就像多肽固相合成，就能轻松实现催化剂的回收。

3. 固态电池

很多人小时候都拆过电池玩，干电池切开会流出黑乎乎的液体，其实是混了石墨的电解液。不管是干电池，还是铅电、锂电，主要都用液体电解质，统称为液态电池。而固态电池则与之不同，使用固态电解质。早在19世纪，电化学先驱迈克尔-法拉第就提出了固态电池的概念，不过直到近年它才接近商业化。相比于液态电池，固态电池更轻、能量密度更高、不易燃更安全。如果我们的手机换上固态电池，会变得更轻薄，更耐用，而且不会出现某星产品那样的爆炸事件。由于导电聚合物的发明，以聚合物作为电解质材料是目前最好和最经济的解决方案。法国Bolloré公司已经在制造和商业化基于聚合物的固态电池，它们主要用于网络连接传感器。此外，锂离子电池的共同发明者John Goodenough最近也报道了一种使用玻璃作为电解质的电池。正是看中固态电池的诸多优点和商业化潜力，博世、戴森、丰田、英特尔等多个行业的巨头投资数十亿美元进行研发。接下来固态电池的研发主要应该聚焦于降低成本和拓展应用场景，小氘相信固态电池广泛使用已遥遥在望。

4. 流动化学

流动化学是指反应在不断流动的体系中进行而不是批次化生产。与其他具体的化学创新不同，流动化学是一种策略或理念。流动化学能够最大程度降低化学生产的风险，同时降低对环境的影响。2015年，麻省理工学院的化学家首次证明了流动化学的潜力，它可以创造出经典方法难以实现的定制聚合物。一些著名的制药公司也搭建了流动化学设备，例如Merck公司利用流动化学实现了100千克规模的药物前体合成；辉瑞公司开发的自动系统能够每天分析多达1500个反应条件（点击阅读详细），加速了药物最佳合成路线的发现。相信更快、更简单、更可靠的流动化学将改变合成工作的面貌。

辉瑞的自动化高通量化学反应筛选平台照片

5. 无溶剂反应

从学化学第一天起老师就让我们记住溶剂、溶质、溶液的区别，谁成想还有不需要溶剂的反应。有机合成中，有毒、易挥发、易燃易爆的有机溶剂是一大危险来源，除了本身就是一种资源消耗外，反应完了去除有机溶剂也费时费力。无溶剂反应就是想把有机溶剂“踢出”反应条件。目前化学家已经成功得用研磨的方法制备出氨基酸、腙、硝酮、肽等物质，实现了经典的铃木偶联反应、点击化学等，安进公司更是实现了一种慢性疼痛药物的无溶剂合成。不过成功的例子仍然很有限。离子液体、金属有机骨架（MOF）可以帮助无溶剂反应的顺利进行，也是热门的研究领域。

6. 用于集水的MOF等多孔材料

除了粮食，水资源是另一个影响全球人口的基本资源。水资源在地球上分布极不平均，而人类可直接利用的水又仅限于液态淡水，这导致30%以上的人口无法获得安全的饮用水。为了获得更多淡水，化学家做了很多努力，MOF等多孔材料是其中非常有潜力的一项。像MOF这样的多孔材料具有海绵状化学结构，可以选择性地捕获氢气、甲烷、二氧化碳、水甚至药物分子和酶。Omar Yaghi偶然发现了它们从大气中捕获水的巨大潜力。MOF可以从干燥的沙漠空气中获取可饮用量的纯净水，除了自然阳光之外不需要额外能量。具体说来，只需一公斤的MOF就能在湿度低至20％的情况下每天收获2.8升水（点击阅读详细）。目前这项技术已经在进行商业化开发。

利用MOF从沙漠空气中获取大量饮用水

7. 选择性酶的定向进化

2018年诺贝尔化学奖的一半授予了研究酶定向进化的科学家Frances H. Arnold教授（点击阅读详细）。酶是天然的高效催化剂，但必须在合适的反应条件下才能发挥作用，且能够催化的底物和反应相当有限。目前工业上使用的酶都是对天然酶的改造产物。酶的定向进化就是将自然界的酶向着工业所需的反应条件、底物、反应类型上改造。但酶的定向进化是非常困难和艰苦的工作，一个成功的高活性酶往往需要在大量变体中挑选出来。计算机技术、蛋白质工程的进步、基因合成、生物信息学等都能加速酶定向进化的速度。

8. 塑料降解

得益于化学家的努力和循环经济的深入人心，可降解塑料已经不再少见。塑料降解，即从高分子聚合物分解为单体，可分为化学降解和生物降解两种，聚乳酸（PLA）受热降解为乳酸就是典型的化学降解过程。诺卡氏菌（Nocardia）可以破坏聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中酯键的酯酶；而日本科学家发现的Ideonella sakaiensis可以在六周内分解PET塑料薄膜（点击阅读详细），都是典型的生物降解。海洋学家发现在人类可探测到的最深的海洋中都发现了微塑料碎片和小珠，并对生态环境造成了破坏。希望化学家能继续开发更高效的塑料降解方法，降低塑料这一现代社会必需品对环境的影响。

9. 自由基聚合的可逆失活

自由基是一种反应活性极高的物质，自由基聚合非常难以控制，虽然它效率很高，但无法产生我们想要的产物。可逆失活自由基聚合（RDRP）已经诞生二十多年，它彻底改变了聚合物的研究。这些方法对链式反应实施控制，使化学家能够设计出并合成出更为复杂、精密的聚合物。RDRP聚合物已在建筑、印刷、能源、汽车、航空航天和生物医学设备等多个领域发挥作用，我们日常生活中接触到的很多聚合物都得益于这项成熟的技术。现在有许多方法只用光来控制RDRP过程，而不用金属，这更加环保、节约。化学家们还掌握了在水中进行聚合反应，避免使用挥发性或有害溶剂。可见，即便是一项颇为成熟的技术，也依旧不断创新中。

10. 3D生物打印

生物打印是当今最有前途的技术之一。使用由活细胞、生物材料和生长因子制成的3D“打印机”和“墨水”，化学家和生物学家已经设法制造出与其天然版本几乎无法区分的人造组织和器官。3D生物打印可以彻底改变诊断和治疗，因为人工组织和器官可以很容易地用于药物筛选和毒理学研究。这项技术甚至能够制造可供移植的组织和器官。目前，科学家们已经可以对管状组织（心脏、尿道、血管）、粘性器官（胰腺）和固体系统（骨骼）进行3D打印（点击阅读相关）。最近，剑桥研究人员甚至设法对视网膜进行三维打印，精确得沉积不同类型的活细胞层，以产生一种在结构上类似于原生眼组织的构造。化学在3D生物打印中起到了关键作用：首先，扫描器官和组织的三维模型需要化学造影剂；其次，生物打印的材料，如细胞，需要化学物质稳定、维持其活力；最后，3D生物打印的产品，也需要物理和化学方法来维持其结构、形状以及功能。

IUPAC评选出的这十项化学创新着实兼具创新性和实用性，它们或已经改变了某个领域的面貌，或即将一飞冲天，颠覆传统。改造世界，让世界更美好是化学家不懈追求的使命，你在里面找到自己的研究方向了吗？

参考资料：

Fernando Gomollón-Bel. Ten Chemical Innovations That Will Change Our World: IUPAC identifies emerging technologies in Chemistry with potential to make our planet more sustainable. Chemistry International, 2019, DOI: 10.1515/ci-2019-0203

https://www.degruyter.com/view/j/ci.2019.41.issue-2/ci-2019-0203/ci-2019-0203.xml

（本文由氘氘斋供稿）