X-MOL盘点：7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）电化学方法检测癌症基因突变

Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2270

http://www.nature.com/nchem/journal/v7/n7/full/nchem.2270.html

An electrochemical clamp assay for direct, rapid analysis of circulating nucleic acids in serum

从癌症临床诊断的角度来看，无细胞核酸（cell-free nucleic acids, cfNAs），如cfDNA和cfRNA，是非常理想的电化学方法检测目标。直接从患者的血清中检测相关突变的cfNAs可以有效地作为“液体活检”方法，可以提供与传统的侵入性活组织检查类似的信息。加拿大多伦多大学的科学家Shana Kelley、Edward Sargent及其团队描述了一种“电化学钳测定法”来分析实验室和临床病人的cfNAs样本。该测定方法将“钳PCR”的策略与电化学传感器相结合，以获得对目标cfNAs的高度选择性。在这篇文章中，应用这种技术的典型装置是一种具有纳米结构的微电极，在其上连接与目标核酸序列互补的PNA探针，比如针对Kirsten大鼠肉瘤-2病毒（KRAS，与很多种癌症都相关）的基因。接着，将这种传感器用于测量样品在电催化由Ru(NH₃)₆³⁺和Fe(CN)₆^3-组成的氧化还原对的反应电化学信号。电化学钳测定法在cfNAs的检测方面有很多优势：首先，使用合理设计的PNA钳保证了高度的特异性；第二，仅需要少量物质和小体积样品（50微升）就可以进行分析；第三，灵敏度高，具有1飞克每微升的RNA检测下限；最后，该分析可以在短短5-15分钟产生结果。由于这些特点以及其可用于未经预处理样品，电化学钳测定法有望替代目前用于癌症诊断的传统DNA测序和PCR技术。

（二）利用大环开环易位聚合反应合成控序聚合物

J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.5b04940

http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5b04940

A General Approach to Sequence-Controlled Polymers Using Macrocyclic Ring Opening Metathesis Polymerization

控序聚合的方法包括：迭代聚合、逐步聚合和链式聚合。美国加州大学的研究人员开发了一种新的大环开环易位聚合反应（ring opening metathesis polymerization, ROMP）方法，将逐步聚合的序列精度与链式聚合的官能团耐受性和链增长特性融合在一起。该方法的关键在于开发一种小分子聚合触发剂。研究人员以常见的工业甜味剂——糖精（1）为底物，与炔丙基溴发生N-烷基化反应得到化合物（2），然后再经过一锅法反应得到具有双官能团的聚合触发剂（6）。这一过程只需要3步，不需要经过色谱柱纯化，起始原料便宜。每一步的中间体都可以经过沉淀或重结晶分离得到。与传统的ROMP聚合方法相比，该方法的另一个优点是能够控制聚合物骨架中的官能度（functionality）。

（三）化学反应“电影”，超快X射线拍摄

Phys. Rev. Lett., DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.255501

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.255501

Imaging Molecular Motion: Femtosecond X-Ray Scattering of an Electrocyclic Chemical Reaction

原理示意动图。来源：SLAC

斯坦福直线加速器中心（SLAC）的Michael Minitti和布朗大学的Peter Weber以及他们的同事，使用了从SLAC直线加速器相干光源产生的自由电子激光中的超高亮度X射线脉冲来追踪化学反应，通过分析这种X射线脉冲在反应过程中分子的散射模式，该团队的科学家可以实时观察分子在反应中的结构变化。在这之前，SLAC的研究人员已经使用这种技术观察到了过渡态分子的形成。Minitti和同事选择了研究1,3-环己二烯开环形成线性1,3,5-己三烯的过程。这是典型的电环化反应——其中共轭键电子的重排使环状分子形成或断开。这种过程存在于广泛的有机反应中。在SLAC的实验中，该反应是由紫外光引发的光化学反应。在观察该反应发生的过程中，研究人员使用了经典的“泵浦-探测”方法。在用紫外激光脉冲（泵浦）启动蒸气状态的环己二烯开环反应之后，研究人员将一系列X射线脉冲发射进入反应室，每次脉冲持续仅30飞秒（1飞秒约10^-15秒），含有大约一万亿个X射线光子。散射的X射线的图案反映了开环反应中分子的形状变化。

（四）玫瑰花香背后的全新合成途径

Science, DOI: 10.1126/science.aab0696

http://www.sciencemag.org/content/349/6243/81.abstract

Biosynthesis of monoterpene scent compounds in roses

图片来源：C&EN

从古时候起，玫瑰就以其独特的香味和颜色征服了人类，不过，现代玫瑰越来越多的被用做切花，经济利益引导培育者优先选择颜值高、生命力强的品种，而香味反而成了不重要的品质特征。玫瑰香味由数百种挥发性分子组成，其中单萜类化合物占主要部分，在个别品种中甚至可以占到香味物质总量的70%，比如Papa Meilland rose。香叶醇是这类单萜化合物的代表，也是它赋予玫瑰精油标志性的气味。在许多植物中（例如罗勒），香叶醇的合成是在香叶醇合酶的催化下合成的，这种酶是萜烯合酶家族中的一员。然而，玫瑰中的香叶醇生物合成却完全不一样。最近，法国圣埃蒂安大学的Jean-Louis Magnard等人根据不同玫瑰的香味差异，结合转录组和遗传分析方法，发现香味浓的玫瑰品种RhNUDX1基因的表达要远远高于那些香味淡的玫瑰品种。RhNUDX1基因在植物中编码Nudix水解酶家族的一个新成员，该酶可以从香叶醇的前体——香叶基二磷酸酯——“切下”一个磷酸基团。科学家们认为另外一种目前仍不确定的磷酸酶随后会参与体内的生物合成过程，水解上一步得到的中间体并产生香叶醇（上图）。这项研究成果作为封面文章发表于《Science》上。

（五）金属氢化物催化氢胺化反应生成手性胺

Science, DOI: 10.1126/science.aab0696

http://www.sciencemag.org/content/349/6243/62.abstract

Catalytic asymmetric hydroamination of unactivated internal olefins to aliphatic amines

图片来源：C&EN

麻省理工学院的Stephen L. Buchwald领导的研究团队在手性氢化铜膦催化体系的作用下，以简单易得的内烯烃为底物，通过加成反应生成C-N键，成功与羟胺酯反应生成了手性胺。特别的是，这种催化剂有利于生成对映纯产物。过去化学家们使用的金属氢化物催化剂与内烯烃的亲和性很低，形成的中间产物与类似仲胺的氮亲核体反应很慢。Buchwald所用的催化剂为手性的氢化铜与芳香二齿膦配体形成的催化体系，反应条件温和，能够有效地将未活化的内烯烃转化成高对映选择性的α支链胺（≥96％ ee）。这种强有力的方法可以制备高度官能团化的对映选择性的胺，在药物研究及其它领域都有广泛的用途。而来自于加州大学欧文分校的Vy M. Dong及其同事也首次实现了内炔烃的对映选择性氢胺化反应(J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI: 10.1021/jacs.5b05200)，而此前的炔烃氢胺化反应只能得到非手性的烯胺、亚胺或烯丙基胺。这两个团队工作中的亮点在于：发生反应的烯烃双键或者炔烃三键位于分子的中间，而不是通常的末端。

（六）“不可能”的合成任务——罕见硼化杂环的制备方法

Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201504271

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201504271/abstract

Synthesis of Previously Inaccessible Borylated Heterocycle Motifs Using Novel Boron-Containing Amphoteric Molecules

图片来源：C&EN

由于反应过程中所需化合物的官能团多且集中，很不稳定，合成硼化杂环化合物对于很多化学家来说都是“不可能”的任务。最近，多伦多大学的Andrei K. Yudin和他的同事在光氧化还原催化和有机催化的作用下，以α-N-甲基亚氨基二乙酸(MIDA)-硼基醛（MIDA-boryl aldehyde）为底物，通过与一系列α-溴代酮发生α烷基化反应，得到硼化二羰基化合物中间体（Borylated dicarbonyl intermediate），所述中间体既具有富电子的碳-硼键有具有两个缺电子的羰基，更重要的，它们的稳定性也让人惊奇。与起始的两性α-硼基醛相比，这些新颖的三官能团的两性中间产物分子多了一个专门设置的亲电位点，可以在各种亲核试剂存在的条件下完成双缩合反应。反应得到的硼化杂环产物，比如3-硼化吡咯或呋喃以及4-硼化哒嗪，具有不寻常甚至前所未有的结构，用普通方法几乎“不可能”合成。

（七）利用非线性光学揭示单层二硫化钼中的隐藏晶界及其形成机制

Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201501354

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201501354/abstract

Kinetic Nature of Grain Boundary Formation in As-Grown MoS2 Monolayers

复旦大学吴施伟教授及其研究团队利用非线性光学中的二次谐波过程对通过化学气相沉积方法制备的单层二硫化钼进行显微成像，获取了生长过程中的各个单晶晶畴的取向和连接各晶畴之间仅有原子级尺度的隐藏晶界的位置，并揭示了二硫化钼及类似二维原子晶体材料的生长动力学过程和晶界形成机制。单原子层的二硫化钼及类似的过渡金属二硫属化物是一种具有直接带隙的二维半导体材料，在新型光电器件以及人们新近提出的能谷电子学方面具有重要的潜在应用价值。作者利用二次谐波非线性光学信号对单晶二硫化钼的晶格取向极端敏感的特性，快速无损地对未作任何物理和化学处理的单层二硫化钼进行显微成像，清晰无误的显示了原子级尺寸的隐藏晶界，并对这些晶界的取向进行了大量的统计研究。研究结果表明，这一新型二维材料中晶界的形成正如两座移动的山脉形成山脊一样，是一个动力学过程。能量最低的晶界结构未必在各类晶界的数量总和中占优势甚至显现。同时，利用不同晶畴之间的倍频信号相位相干效应，作者还确定了晶畴的边界种类。该实验的方法和结论不仅限于单层二硫化钼，同样适用于其他具有三度旋转对称性的二维原子晶体材料，包括单层过渡金属二硫属化物、单层GaSe、BN等。这一研究成果发表于《Adv. Mater.》杂志，并被选为内封面文章。

（八）沸石合成取得重要进展

Nature, DOI: 10.1038/nature14575

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14575.html

A zeolite family with expanding structural complexity and embedded isoreticular structures

瑞典、韩国以及英国科学家联手开发了一种新方法，不仅可以解析了高度复杂的沸石的结构，而且可以根据搜集的信息预测和合成全新结构的沸石，这为合成具有特殊性能的特定沸石开辟了一条新的道路。本文的关键就在于作者采用了电子衍射的方法确定了结构关联的一家族沸石的结构，发现了存在于这一系列沸石中的“结构密码”。这也促使他们确定了极度复杂的、以前未被解析结构的ZSM-25沸石的结构，ZSM-25拥有所有已知沸石中最大的单胞体体积，为91.554 A³，而且可以选择性地吸附CO₂。通过这种方法，他们又预测并成功合成了该家族中两个更复杂、具有更大单胞体体积的沸石PST-20，166.988 A³和 PST-25，275.178 A³。事实上，ZSM-25沸石很多年前就被合成，之所以选择ZSM-25，是因为ZSM-25选择性地吸附CO₂引起了他们的兴趣。而ZSM-25和另一种已知结构的沸石PAU具有相似的结构特征，瑞典科学家使用最先进的电子衍射技术研究这两种沸石，发现它们结构中所含有的每个硅酸盐周围都被7个离散的元素包围形成多面体或者笼子，它们以一种复杂的马赛克方式结合在一起，形成精细的立体几何结构，ZSM-25实际上是PAU的扩展版本，可以利用相同的结构密码合成出ZSM-25的扩展版，韩国的科学家通过调节反应混合物使他们更倾向于一种特定的方式形成笼状结构，直接结晶形成两个新的沸石PST-20和 PST-25。

（九）超弹性导电纤维，上千次拉伸无损其性能

Science, DOI: 10.1126/science.aaa7952

http://www.sciencemag.org/content/349/6246/400

Hierarchically buckled sheath-core fibers for superelastic electronics, sensors, and muscles

一个由美国、中国和巴西的科学家组成的团队报道了他们创造的“超级材料”。这种超级材料是由SEBS橡胶和碳纳米管制成的核-壳结构的超弹性导电纤维，这种纤维最长可拉伸到原长度的约14倍；在10倍拉伸的情况下，其电阻变化小于5%，就算经过上千次的拉放也依然如故。科学家们先以拉伸过的SEBS橡胶为核，然后用碳纳米管将其包裹，然后释放SEBS橡胶核使其恢复原状，从而得到超弹性导电纤维。如果加入其它橡胶和碳纳米管壳层，该团队可以将这种超弹性导电纤维“改装”成应变传感器，其电容会随着拉伸而升高，最高可增加到8.6倍。除此之外，该团队还能将这种超弹性导电纤维“改装”成电动人工肌肉纤维，用于多种微型装置的驱动。天津理工大学的印寿根教授团队直接参与了这项研究，印寿根教授介绍，超弹性导线用途十分广泛，目前仅是刚刚开始。预计其可用作可穿戴设备、仿生柔体机器人、大形变电子电路、变体飞行器、大形变应变传感器、心脏起搏器导线和充电设备的大形变导线等。

（十）亚胺极性反转的新方法

Nature, DOI: 10.1038/nature14617

http://www.nature.com/nature/journal/v523/n7561/full/nature14617.html

Catalytic asymmetric umpolung reactions of imines

美国布兰迪斯大学邓力教授利用亚胺的“极性反转”同时实现氮原子的引入和高效的手性合成。由于电负性的差异，羰基（C=O）和亚胺（C=N）中C原子表现出部分正电荷，具有亲电性。然而在某些特殊的条件下，这种自然的极性可能会发生逆转，即原本是亲电性的原子变得具有亲核性。反之，原本具有亲核性的原子变得具有亲电性，都可以称为“极性反转（Umpolung）”。邓力教授课题组通过亚胺在碱性水溶液中原位产生的氮杂烯丙基负离子实现了亚胺C的极性反转，该中间体随后与α,β-不饱和醛发生亲核加成。反应在奎宁骨架的小分子催化剂作用下，实现了高效不对称合成。该催化剂不仅作为促进水相/有机相反应的相转移催化剂，同时也实现了手性诱导，使得不对称加成反应高效地进行。虽然该催化剂尚未商品化，但是其合成步骤相对简单，且反应非常高效，仅需要使用0.01mol%催化剂。该研究成果为手性有机胺的合成提供了重要方法，含不同官能团的亚胺均具有很好的适用性，反应对空气和水不敏感，操作较为便利。