X-MOL盘点：4月化学前沿科研成果精选

X-MOL团队从Nature、Science、Nature Chemistry和JACS等杂志发表的化学领域研究论文中，精选上月部分有意思的科研成果，以馈读者。

（一）首次合成锯齿形边缘石墨烯纳米带

Nature, DOI: 10.1038/nature17151

http://www.nature.com/nature/journal/v531/n7595/full/nature17151.html

On-surface synthesis of graphene nanoribbons with zigzag edge topology

瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）的Roman Fasel与德国马普高分子研究所的Klaus Müllen和冯新亮（Xinliang Feng）等人在2010年发现，通过设计石墨烯的纳米结构，使之变形为石墨烯纳米带（graphene nanoribbons，GNR）之后，这种材料就具有了类似半导体材料的性质（Nature 466, 470-473）。最近，他们再次做出突破，首次合成具有完美锯齿形边缘的石墨烯纳米带（ZGNR），让科学家们可以赋予石墨烯纳米带更多不同的性质。为了形成特殊的锯齿形边缘石墨烯纳米带，需要先选择合适的前体分子。科学家们在计算机模拟和实验之间不断的重复，最终设计出最佳路线，利用表面辅助聚合和专门设计的前体单体分子，得到了具有原子精度的锯齿形边缘蓝图，并最终合成锯齿形边缘石墨烯纳米带。锯齿形边缘石墨烯纳米带的特殊之处当然不只是外形。其中，一条边缘上的电子都以相同方向自旋，这被称为铁磁耦合（ferro-magnetic coupling）；同时，所谓的反铁磁耦合（antiferromagnetic coupling）使得另一边缘的所有电子以相反的方向自旋。因此，锯齿形边缘石墨烯纳米带呈现出一条边缘所有电子处于“自旋向上”的状态，而另一条边缘的所有电子处于“自旋向下”的状态。通过在这些边缘集成结构缺陷，或由外部提供电、磁或光信号，自旋电子器件（spintronic devices）就能被设计出来，比如纳米级且非常节能的晶体管。

（二）仅冰箱大小的全自动药物生产机器

Science, DOI: 10.1126/science.aaf1337

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

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

来自麻省理工学院（MIT）Timothy F. Jamison、Klavs F. Jensen、Allan S. Myerson等人研发出了一种仅冰箱大小的连续流系统（continuous-flow system）设备，可以按照用户需要，每天连续不断的制备出成百上千份的药物制剂。虽然这种机器一次只能生产一种药物，但是操作者可以很容易地在不到两小时的时间里将系统切换成生产另一种药物的状态。这种连续流药物生产系统比传统的设备小得多，而且更便宜。据该开发团队介绍，这种仪器可以“按需”生产那些保质期短的药物，或者病人群体很小的“孤儿药”，或者那些只针对特定地区或受突发公共卫生事件影响的少部分患者群体的药物。此外，它将会减少对药物运输和存储的需求，让药物生产更加灵活和有针对性。事实上，美国食品药物管理局（FDA）已建议将连续流操作作为药品生产现代化的一种方式，而这种新的仪器系统显然有助于推进这一目标的实现。该系统包括“上游”单元和“下游”模块，“上游”单元包含反应器，“下游”模块进行沉淀、过滤、溶解、结晶和制剂。它还包括化学分析和计算模块用来进行过程评估和控制。该研究团队先是在微升规模设计目标反应，然后再将其转移到这种连续流系统中。他们通过升高温度和压力来加速反应，并使用高浓度的反应试剂以减少原料需求和废料生成。为了展示该系统的性能，这个MIT团队利用它来生产抗组胺药盐酸苯海拉明（Benadryl）、局部麻醉剂盐酸利多卡因、镇静剂地西泮（Valium）还有抗抑郁药盐酸氟西汀（Prozac或Sarafem)）的口服和外用液体制剂。研究人员还希望开发出生产固体药丸制剂的功能。

（三）立体选择性合成氨基醇所有异构体

Nature, DOI: 10.1038/nature17191

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature17191.html

Copper-catalysed enantioselective stereodivergent synthesis of amino alcohols

麻省理工学院（MIT）Stephen L. Buchwald教授与Shi-Liang Shi、Zackary L. Wong利用铜催化的立体选择性方法，快速一锅合成氨基醇的所有立体异构体，化学选择性、区域选择性、非对映立体选择性和对映选择性俱佳。在药物发现和开发过程中，通常需要得到候选药物的所有可能的立体异构体，并对其进行表征，以进行生物活性评估。尽管不对称合成已经有了很大的进步，可以帮助药学家获得立体异构体，但开发出一种通用且可操作的策略来合成一个有机化合物的所有可能的立体异构体仍然是个不小的挑战，特别是那些拥有多个相邻立体中心的有机化合物。手性氨基醇及其酯是药物分子或活性天然产物中常见的结构单元，同时也常用于不对称合成中，是一类相当重要的手性分子。在之前研究的基础上，Buchwald等人以简单易得的(E)-或(Z)-烯醛和烯酮为底物，使用基于氢化铜的催化剂，化学选择性地还原得到相应的烯丙基醇，随后再发生区域及立体选择性的氢胺化反应，最终得到手性氨基醇产物。研究人员随后对这个策略进行了验证，证实该方法可以选择性地得到氨基醇产物的所有可能的立体异构体，最多可包括三个相邻的立体中心。

（四）具有奇特吸附性质的金属有机框架材料

Nature, DOI: 10.1038/nature17430

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature17430.html

A pressure-amplifying framework material with negative gas adsorption transitions

一般来说，MOF的吸附能力会随着压力、温度甚至光照而变化。在正常情况下，外界压力越大，其吸附的物质越多，直到达到饱和。然而，最近《Nature》报道了德国德累斯顿工业大学教授Stefan Kaskel为首的德国和法国研究团队研发的一种“不正常”的MOF材料，名为DUT-49，它的吸附性质堪称奇特：当压力增加到一定程度后，这种材料会突然收缩，并“吐出”之前已经吸附的气体。这种气-固相互作用的新现象被Kaskel等人命名为负性气体吸附（negative gas adsorption, NGA）。DUT-49由碳骨架和铜原子通过自组装而形成，是一种极为多孔的粉末——每1克这种材料的内表面积为5000平方米！所以DUT-49能够吸附相当于其重量三分之一的甲烷。研究人员在测试DUT-49的气体吸附性质时，意外地发现了这种负性气体吸附现象。当压力增加到一定程度后，材料突然收缩并释放之前已吸附的气体，进而进一步提高整个系统的压力。该团队也已经能够描述其机制：存储在DUT-49孔洞中的气体分子与其固体结构产生了很强的相互作用；随着吸附的气体量增加，这种相互作用会干扰该DUT-49中的原子排列，并最终导致其收缩。这个特殊的吸附行为已经被丁烷和甲烷的测试所证实，预计也适用于其他气态化合物。

（五）史上最长线性碳链

Nature Mater., DOI: 10.1038/nmat4617

http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4617.html

Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne

以奥地利维也纳大学Thomas Pichler为首的一个国际研究团队的文章，报道了他们已经合成出了迄今为止最长的线性碳链结构，由超过6000个碳原子连接而成，远超之前约100个碳原子的长度记录。这种新的碳链的长度已经接近于1微米，是目前最接近于一维碳单体碳炔（carbyne）的结构，而后者已成为世界上最具争议性的材料之一。理论上说，碳炔是碳原子通过交替的单键和三键连接而成的无限长的链，与碳的三维或二维同素异形体（如石墨烯、碳纳米管和金刚石等）相比具有更高的强度和刚性，而且还有希望制造最小宽度的场效应晶体管。不过在实际情况中，线性碳链很不稳定，极易发生交联，这种不稳定性以及很多化合物被错误地定义成碳炔，使得每每有新的化合物被称为碳炔时，都会引起热烈的争论。因此，Pichler团队将他们合成的这种化合物故意地称为“长线性碳链（long linear carbon chains，LLCCs）”。他们通过在保护性的碳纳米管内部生长碳链来解决稳定性的问题。在高真空条件下，研究人员用退火过程在中空的双壁碳纳米管（DWCNTs）的内管中（内管直径0.7纳米）生成线性碳链，双壁碳纳米管既是纳米反应器，又是封装和保护线性碳链的工具。因此，该团队可以创造比之前更长、碳原子更多的碳链，Pichler说。

（六）揭开猪笼草的小秘密

Nature, DOI: 10.1038/nature17189

http://www.nature.com/nature/journal/v532/n7597/full/nature17189.html

Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata

猪笼草的捕虫笼开口部位有着极为湿润光滑的“嘴唇”，昆虫一旦落上很容易失足滑到捕虫笼中，并变成猪笼草的一顿大餐。中国科学院理化技术研究所江雷（Lei Jiang）院士、北京航空航天大学张德远（Deyuan Zhang）教授、陈华伟（Huawei Chen）教授等人也对猪笼草的这个小秘密很感兴趣，他们通过解析翼状猪笼草“嘴唇”（口缘区）的微观结构，揭示了猪笼草让昆虫失足滑落的秘密就在于其口缘区的定向连续搬运液体的能力。科学家们进一步对这个有趣的现象进行了数学分析，并建立了液膜输运的理论计算模型，使人类对猪笼草的功能进行仿生应用成为可能。

约0.2 μL水的定向连续搬运过程。图片来源：Nature

自然界有很多系统存在表面定向水流动的现象，一般认为这种现象与微米和纳米尺度表面结构有关，由表面能梯度和拉普拉斯压力（Laplace pressure）梯度驱动。不过，这个中国科学家团队通过研究翼状猪笼草口缘区的结构，发现定向连续搬运液体的根本在于其多尺度的微纳结构——楔形盲孔组成不对称沟槽，能在运输方向上优化并加强毛细上升，并阻止反方向的回流，从而完成单方向液膜搬运。在这一发现的基础上，研究团队模拟猪笼草口缘区表面结构进行了压印成形，成功复制了猪笼草口缘区的工作机制。而且，研究团队对这一现象进行了数学分析计算和模型理论建立，揭示了液膜定向连续搬运机理。江雷院士指出，“仿生研究的最终目的在于应用。猪笼草口缘区输运的是水，人类若想应用这种生物功能，需要运送的除了水，还可能是油，或其他液体物质的输送，这就需要建立理论基础。”

（七）从糖到合成砌块，高收率的无细胞生化合成方法

Nat. Chem. Biol., DOI: 10.1038/nchembio.2062

http://www.nature.com/nchembio/journal/vaop/ncurrent/full/nchembio.2062.html

A synthetic biochemistry module for production of bio-based chemicals from glucose

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的生物化学家James U Bowie领导的团队设计出了一个巧妙的方法，既摆脱了活细胞的限制，又保留了生物合成体系的高效率。他们利用葡萄糖作为原料，使用合成生物化学（synthetic biochemistry）的技术，在无需细胞的条件下合成出了相当重要的合成砌块（乙酰辅酶A，acetyl  coenzyme  A ，acetyl-CoA），这可为生产塑料、生物燃料和新药铺筑了一条新的道路。 合成生物学（synthetic biology）的思路主要是重新设计细胞，使得它们通过一系列化学步骤将糖转化为目标分子，不过，这是非常困难的，因为细胞会抵抗这个过程。细胞内维持生物合成中辅助因子（cofactor）的循环和平衡的体系非常复杂，如何在合成生物化学方法中代替这一体系是研究人员所面临的一大挑战。通过精巧的设计，研究人员组合了三种代谢途径（pentose、bifido和glycolysis），形成了一个包括超过二十种酶的循环。这些酶被置于一个烧瓶中，添加葡萄糖，最终以较高收率得到乙酰辅酶A，可以进一步生产塑料、生物燃料和新药。实验结果证明，他们在生产一种可生物降解塑料聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate，PHB）的过程中已经取得了约90％的产率。Bowie实验室创建的这些酶和反应途径，并不都存在于自然界中。“如果酶不够好（不够快或不够稳定），那么我们就可以重新设计它们，”而不用像以前那样还要考虑是否会影响细胞生存，该文作者之一Tyler Korman说。

（八）电润湿的接触角饱和极限已被突破

Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201504705

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201504705/abstract

Decreasing the Saturated Contact Angle in Electrowetting-on-Dielectrics by Controlling the Charge Trapping at Liquid–Solid Interfaces

电场可以用来灵活改变固体表面的润湿性，此即为电润湿效应，电润湿效应已在可变焦透镜、电子书、户外显示、数字微流体等现代光电子器件和生物芯片中获得应用。然而电润湿中的接触角饱和问题（当电压超过一定值时浸润性不再随电压增加而增强）一直被认为是不可突破的极限，从而限制了众多器件的工作性能和产业发展。西安交通大学的邵金友教授、李祥明博士及其合作者首次发现了电润湿效应中的接触角回退现象：接触角在到达饱和状态之前会首先超越这一饱和值，然后再回退至饱和状态。该研究指出，液-固界面处产生了受限电荷并形成了衍生电场，衍生电场对外加电场的屏蔽效应导致了接触角回退现象。据此，研究人员根据界面电荷的受限规律提出利用时间调制的方波电压代替以往的直流电压和正弦电压，可主动适应受限电荷的衍射电场从而使受限电荷的屏蔽效应变成增强效应，从而阻止了接触角的回退现象，实现了接触角的最小化。邵金友教授指出，由于该方法适用于多种液体（如水、离子液体）与固体（如二氧化硅、特氟龙）的界面体系，因而将具有广泛的应用领域，例如增强液体透镜的变焦能力、提高显示器的对比度、提高数字微流体器件的工作效率，等等。此外，该课题组利用电润湿效应开发了一种柔性大面积非球面微透镜阵列制造的批量化技术。

（九）找到Suzuki-Miyaura反应中缺失的那一环

Science, DOI: 10.1126/science.aad6981

http://science.sciencemag.org/content/352/6283/329

Pre-transmetalation intermediates in the Suzuki-Miyaura reaction revealed: The missing link

铃木-宫浦反应（Suzuki-Miyaura reaction）过程中，碳中心由硼原子转移到钯原子上的转移金属化（transmetalation）步骤十分关键。不过这个过程发生的非常快，很难进行观察。最近，伊利伊诺大学的Scott E. Denmark教授和Andy A. Thomas报道了转移金属化前的反应中间体结构，钯和硼通过氧原子连接在一起（Pd-O-B），这种关键中间体在之前很难获得。使用低温核磁共振（NMR）光谱和动力学方法，Thomas和Denmark生成、观察、表征了Pd-O-B络合物中间体。他们发现了三种含有Pd-O-B连接的不同中间体结构，一种三配位硼络合物以及两种四配位硼络合物。在关键的转移金属化步骤中，这些络合物中间体硼上的芳基转移到配位不饱和的钯中心上。研究人员还发现，钯原子上的空配位位点是这些Pd-O-B络合物中间体发生转移金属化的前提。

（十）自动化、可编程的有机合成方法

Nature Chem., DOI: 10.1038/nchem.2495

http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2495.html

An autonomous molecular assembler for programmable chemical synthesis

以英国牛津大学Andrew J. Turberfield教授为首的研究团队发明了一种与核糖体很类似的分子机器，依靠可编程的DNA“指令”和一个启动分子，就可以触发一系列的成键过程，在一锅反应的条件下生成一种或多种低聚物。实验设计的关键是使用了两种发夹形DNA链，一种用作“指令”，一种用作“合成”。“合成”DNA发夹上连接有各个反应物——烯烃或肽的合成砌块，并且混合在一起。“指令”DNA发夹可根据其碱基序列进行“编程”，以控制单体进行合成反应的顺序。当“指令”DNA发夹、启动分子与“合成”DNA发夹混合后，这些DNA链会进行自组装和杂交，使得反应物相互之间靠的非常近，从而促进反应物之间化学键的形成，以产生3到7个单元长度的不同烯烃或肽的低聚物。更有意思的是，每个低聚物产物都还连接着DNA链作为标记，该DNA链的序列信息对应了低聚物化学键的形成顺序。这就意味着该团队能够将这些DNA标记进行PCR扩增和测序，从而得到每个低聚物产品的精确结构。这些信息对使用低聚物库进行功能分子筛选至关重要。

（十一）突破记录的多金属析氧催化剂

Science, DOI: 10.1126/science.aaf1525

http://science.sciencemag.org/content/352/6283/333

Homogeneously dispersed multimetal oxygen-evolving catalysts

电解水中的析氧反应（oxygen-evolution reaction，OER）是最困难的步骤之一，即便采用目前最高效的贵金属催化剂，仍需很高的电压才能驱动电解水反应，而且能源转换效率也不能让人满意。多伦多大学Edward H. Sargent教授和斯坦福大学Aleksandra Vojvodic教授带领的一个加拿大、中国、美国国际研究团队报道了他们的最新研究成果，通过向铁钴氧化物中添加钨来调控铁、钴的电子结构，所制得的胶状Fe-Co-W羟基氧化物（oxyhydroxides）多金属析氧催化剂，具有迄今最低的析氧过电位，可以实现高效的水电解。华东理工大学的张波（Bo Zhang）博士、天津大学的博士生郑雪莉（Xueli Zheng）和多伦多大学的Oleksandr Voznyy博士为本文的共同第一作者。研究人员使用一种室温的溶胶-凝胶法成功制备了胶状Fe-Co-W羟基氧化物析氧催化剂，溶胶状态下各金属原子均相混合，避免不同金属氧化物晶格不匹配而导致的相分离。这种胶状催化剂中的Fe、Co和W在原子尺度上均相分散，具有优异的催化性能。这种胶状Fe-Co-W催化剂的析氧过电位仅有191 mV（1M KOH 电解质；电流密度10 mA/cm²），这是迄今为止报道过的最低。研究人员也测试了后续热处理方法对催化剂性质的影响，他们发现如果胶状Fe-Co-W羟基氧化物经历了后续的退火热处理（500℃）之后，析氧过电位会上升，而且催化性能也会降低。胶状Fe-Co-W催化剂的稳定性也不错，连续反应500 h后，催化剂的性能没有出现明显的降低。

（十二）Baran实验室影响深远的分子构建新技术

Science, DOI: 10.1126/science.aaf6123

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/04/20/science.aaf6123

A general alkyl-alkyl cross-coupling enabled by redox-active esters and alkylzinc reagents

Phil Baran实验室发表烷基-烷基交叉偶联方法，这种新方法从本质上说，是对已经被广泛使用了70多年的合成酰胺键反应的修改。Baran和他的团队设计的这个方法重新利用了这种传统的合成酰胺键的反应策略，以实现碳碳连接。新的反应操作方便安全，副产品只有二氧化碳，起始原料之一仍然是廉价、无毒、易得的羧酸化合物。不过另一种反应物不是含氮的胺，而是含有碳和锌的有机化合物，这些原料也比较容易买到或制备。最开始的思想火花来自于早己为化学家所知的巴顿脱羧反应（Barton decarboxylation）。“我们开始问自己，如果可以用金属来捕获巴顿脱羧生成的自由基，接下来会发生什么？”本文共同第一作者Josep Cornella说， “我们意识到，如果能做到这一点，我们就会找到一条进行有机合成和碳碳偶联的全新道路”。该团队最终提出的方法采用了一种廉价易得的活化试剂，用于激活所选用的羧酸，然后一种同样廉价的镍金属催化剂促成羧酸和另一个碳锌化合物底物之间的反应。其中，一个关键因素竟然是一个“配体”化合物，它能帮助金属催化剂发挥作用。 “我们发现常见易得的联吡啶配体的效果最好，它们可以稳定镍，使其可以催化反应，”另一位并列第一作者Tian Qin说。对反应的材料和程序进行优化之后，该团队利用78种不同的羧酸底物对这一方法进行了验证。这些羧酸包括他汀类药物立普妥（atorvastatin，Lipitor）、治疗癫痫和焦虑的药物Lyrica（pregabalin）和抗组胺药物仙特明（cetirizine，Zyrtec）。论文作者之一Lara Malins使用这种新技术在肽合成中直接修饰氨基酸。另一位共同第一作者Chao Li使用这种新技术，使羧酸和有机含锌试剂以及第三种化合物反应，得到含有两个新C-C键的复杂分子。Baran和他的团队正在使用这一方法来简化有价值天然化合物的合成，他们也希望这一策略扩展到其他有机分子。

（十三）Baran实验室水桶里的烯丙位C-H键电化学氧化

Nature, DOI: 10.1038/nature17431

http://www.nature.com/nature/journal/v533/n7601/full/nature17431.html

Scalable and sustainable electrochemical allylic C-H oxidation

Phil Baran发表氧化烯丙位碳氢键（C-H键）的电化学方法。C-H键直接官能化是有机化学毫无争议的热点方向之一，影响药物、天然产物、材料的合成策略。烯丙位的氧化是C-H键官能化很常用的方法之一，但是，这种传统方法通常需要使用有毒或昂贵的试剂，例如铬、钌或硒等。电化学烯丙位氧化并不是个“新鲜”的方法，最早的报道出现在1968年，并在1985年被改进。尽管这些方法收率都很低，但电化学方法的优势在于有毒废物少，更易于扩展到工业规模。Baran实验室在这篇论文里正是采用了“老套”的电化学手段，只使用廉价安全的化学品，不产生有毒废物，还可实现大量制备，很容易扩大规模。他们在反应容器中使用每个的成本只有几美元的玻碳电极；氧源使用液体氧化剂叔丁基过氧化氢而不是纯氧气体，这是因为纯氧在工业规模使用时存在火灾或爆炸的风险；碱和溶剂分别是吡啶和丙酮，都很便宜且容易得到；所用电化学介质为四氯-N-羟基邻苯二甲酰亚胺（Cl₄NHPI），可以通过简单的反应从无毒廉价的常用阻燃剂四氯邻苯二甲酸酐（每千克30美元）制得；反应的电流由一个恒电位仪进行调控，可由一台笔记本电脑来控制；而电源就是一个简单的电池。“如果你愿意，你甚至可以使用汽车的电池，”Baran说。值得一提的是，这是Baran实验室与百时美施贵宝（Bristol–Myers Squibb，BMS）以及总部位于中国的凯莱英（Asymchem Life Science）的合作项目。Baran团队先是用这种方法修饰了施贵宝感兴趣的几种化合物，然后该团队又将这种方法用在制药业和其他行业都很感兴趣的十几种萜烯类化合物上。在该论文几乎所有的反应中，新方法的收率、安全性都比现有的方法更好，所用试剂也更便宜，可在百克量级上制备产物。而且，反应操作简单，对实验条件的要求也非常低。参与这项研究的凯莱英研发人员利用这种新方法进行了中等规模100克量级的反应，所用的反应容器就是一个买来的水桶！Baran实验室将继续探索这一策略在合成其他化合物方面的应用，也希望开发基于电化学的烯丙位氧化反应之外的方法。