5月10日，浙江大学莫一鸣和徐远锋研究员团队分别在全球顶尖科研期刊《Science》上发表了重要研究成果，浙江大学均为第一完成单位。
药物分子实现低成本三氟甲基化
5月10日，浙江大学化学工程与生物工程学院莫一鸣、宣军为通讯作者在全球科研顶级期刊《Science》上发表题为“Scalable decarboxylative trifluoromethylation by ion-shielding heterogeneous photoelectrocatalysis”的研究论文。论文第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士后陈一新。
莫一鸣团队提出了阴离子屏蔽抑制传质的方法，逆转了热力学上的优先氧化顺序，采用光电催化技术实现了对三氟乙酸根的优先氧化并获得具有高附加价值的三氟甲基化产品。这一创新方法不仅可以将部分极易被氧化的分子转化为三氟甲基化产品，还可实现高附加值三氟甲基化产物的百克级合成。
含氟无机物在自然界中屡见不鲜，但含氟的天然有机化合物却极为罕见，大多数含氟有机物是通过合成方式获得的。其中，含有三氟甲基的有机化合物比重较大，这主要是因为三氟甲基的引入可以显著改善化合物的亲脂性和代谢稳定性。因此，三氟甲基化合物在医药与农药等领域大放异彩，如治疗精神抑郁的药物Prozac、抗病毒药物Letermovir、治疗高血脂的药物Lomitapide等均含有这一特殊集团。
在目标分子上修饰三氟甲基深受新药研发领域的欢迎，三氟甲基化是生产高附加值产品的重要方法。如何安全、高效且低成本地将三氟甲基引入目标分子是有机氟化学最受关注的课题之一。尽管以三氟甲基化试剂作为前体直接在有机分子上引入三氟甲基被视为是生产高附加值产品的有效策略，但其成本过高，大部分在每克几百甚至几千元，导致这类方法仅适用于研发，很难直接应用于实际生产。
研究团队与所开发的反应装置图（从右到左：莫一鸣、陈一新、何宇晨、宣军、高勇）
从原子经济、生产成本、易操作性等方面来看，三氟乙酸是非常理想的三氟甲基来源，相比其他试剂，其价格极其低廉（每公斤约300元）。但三氟乙酸的高氧化电位制约了其直接应用，需要强氧化剂等非常剧烈的条件才能使三氟乙酸转化为可直接与有机分子反应的三氟甲基自由基。这会导致许多对氧化剂敏感的有机分子如含氨基或醛基的分子无法应用在该类体系中，而这类基团广泛存在于一些药物或农药中，极大限制了三氟乙酸的应用范围。因此，如何在温和条件下实现对三氟乙酸的直接利用来生产高附加值的三氟甲基化产品极具挑战。
研究背景与实验设计
为了克服这一难题，近日浙江大学化学工程与生物工程学院百人计划研究员莫一鸣团队提出了阴离子屏蔽抑制传质的方法，逆转了热力学上的优先氧化顺序，采用光电催化技术实现了对三氟乙酸根的优先氧化并获得具有高附加价值的三氟甲基化产品。这一创新方法不仅可以将部分极易被氧化的分子转化为三氟甲基化产品，还可实现高附加值三氟甲基化产物的百克级合成。
这一成果于北京时间2024年5月10日刊登在国际顶级期刊《科学》上。
三氟乙酸的直接利用的最大难点在于其氧化电位过高（＞2.24 V vs. SCE），如果采用强氧化剂活化三氟乙酸，根据热力学的氧化顺序，往往会导致同一体系中存在的其他有机分子被优先氧化。
为了解决这一难题最直接的方案就是阻止有机分子与氧化剂“直接接触”。为此，莫一鸣团队选择光电催化作为技术手段。在光电催化中，光阳极在光照下产生的光生空穴就是“氧化剂”，而阴离子层就像一层屏障一样，阻止有机分子与光阳极直接接触，从而避免了有机分子的优先氧化。经过大量的实验验证，该团队提出了“阴离子层限制传质从而限制氧化”的选择性氧化机制，并建立了光电催化三氟甲基化的新型方法。
放大合成DNA碱基类似物的三氟甲基化产品，反应化学式以及放大反应装置
该方法可兼容多种极易被氧化的有机分子，而且，光电催化体系可稳定运行超过300小时。此外，利用模块化、可放大的光电流微反应装置实现了高附加值三氟甲基化产物的百克级合成。
该项研究不仅为三氟甲基化这一极具实际生产价值的合成方法提供了新思路，而且为传质调控选择性电子转移这一化学工程的重要研究领域开辟了新的道路。
莫一鸣，浙江大学化学工程与生物工程学院“百人计划”研究员，博士生导师。2014年本科毕业于清华大学化学工程系，被评为优秀毕业生（64/3200+）；随后直博进入MIT化学工程系师从美国两院院士KlavsF.Jensen，于2019年获得博士学位；博士毕业后在MIT进行博士后深造。29岁就入选了《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”，曾获国家级青年人才计划，主持国家重点研发计划（青年首席科学家）。至今已经连发两篇Science。
拓扑声子材料
5月10日，浙江大学物理学院徐远锋研究员、西班牙巴斯克大学的Luis Elcoro教授、普林斯顿大学的Nicolas Regnault教授和B. Andrei Bernevig为共同通讯作者在全球科研顶级期刊《Science》上发表题为“Catalog of topological phonon materials”的研究论文。本文的第一作是浙江大学物理学院徐远锋研究员。
浙江大学关联物质研究中心、物理学院徐远锋课题组系统研究了声子体系中存在的拓扑“准粒子”，采用拓扑量子化学理论结合高通量方法，对一万多种晶体材料的声子谱进行了解析，通过计算得到了声子谱的对称性特征和拓扑性质，包括丰富的拓扑简并点或简并线、“脆拓扑”声子以及可类比电子共价键的“阻塞型拓扑”声子，同时，还对所有材料的拓扑声子表面态进行了计算，并建立了拓扑声子材料数据库。
高通量计算拓扑声子材料流程图与数据统计
拓扑材料是一类特殊的固体材料，它们的性质在外部条件（比如外部扰动）改变时保持不变。这种材料因其在高速电子设备和量子计算领域的潜在应用而备受瞩目。研究者们一直在探索拓扑材料在电子系统中的应用，但其实固体内部有许多不同的集体激发现象，例如声子。声子是原子在晶格中振动传递的过程。将拓扑学理论应用于声子研究，催生了拓扑声子学这一新兴学科。对拓扑声子的深入理解有望推动热电设备和超导技术的发展。不过，目前对可以产生拓扑声子效应的材料的研究还相对不足。
不同类型材料中的拓扑声子表面态
在现有声子材料数据库的基础上，浙江大学徐远锋研究员联合西班牙巴斯克大学的Luis Elcoro教授和普林斯顿大学的Nicolas Regnault教授和B. Andrei Bernevig教授共同为 10,000 多种三维晶体材料编制了拓扑声子谱带目录。利用拓扑量子化学，作者为声子数据库中的材料计算了每组孤立声子带的带表示、相容关系和带拓扑。此外，作者还计算了所有拓扑琐碎频带的实空间不变量，并将它们归类为原子频带或受阻原子频带。作者选择了 1000 多种 "理想的 "非琐碎声子材料，以激励未来的实验。这些数据集被用来建立拓扑声子数据库。
徐远锋，2019年博士毕业于中科院物理所，2019-2022年先后在德国马普所微结构物理所、美国普林斯顿大学物理系从事博士后研究。2022年12月加入浙江大学物理学院关联物质研究中心。主要从事凝聚态理论与材料计算研究。徐远锋已在Nature上发表3篇研究论文，其中一篇一作，一篇共一兼通讯，今日，徐远锋研究员研究成果登上Science。
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