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2020年化学领域重要成果回顾

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科学公园 2021-02-02 16:04

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翻译 丨 魏昕宇

刚刚过去的2020年注定要在人类历史上留下浓重的印迹。在这个特殊的年份里,全世界的化学工作者们有哪些值得关注的成绩?像往常一样,美国化学会主办的《化学化工新闻》为我们进行了盘点。

重中之重:关于新冠病毒的研究

2020年科学研究的重点无疑是应对肆虐全球的新冠肺炎疫情。虽然大部分相关研究主要集中在疫情监控、流行病学调查、开发新的药物与测试手段等方面,许多关于新冠病毒的研究仍然与化学领域相关。下面列举的就是其中的一些代表。

新型冠状病毒SARS-CoV-2的基因序列在年初被公布以后,弄清病毒的三维结构就成为结构生物学家的当务之急,这不仅能够帮助我们从分子水平研究该病毒的致病机理,还有助于开发有关的药物和疫苗等。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Jason McLellan教授率先利用低温电子显微镜确定了新冠病毒表面刺突蛋白的结构。刺突蛋白是新冠病毒用来与人体细胞上受体结合的主要蛋白,因而这项研究具有重要的意义。其它多个研究小组也相继跟进。到了11月末,全世界的科学家们已经发表了超过500份新冠病毒相关的结构数据。

Jason McLellan 教授的团队公布的新冠病毒刺突蛋白的结构图像

Daniel Wrapp et al. “Cryo-EMstructure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation”, Science, 2020,367, 1260

口罩无疑是对抗新冠肺炎疫情的重要手段之一。在疫情爆发之初,许多欧美国家的公共卫生官员并没有建议普通民众佩戴口罩,并且担心这样的建议可能会导致民众抢购口罩,从而导致医护人员面临口罩的短缺。然而,多项研究都证明口罩能够有效抑制新冠病毒的传播,这使得包括美国疾病控制与预防中心在内的许多政府机构转变立场,推荐并呼吁民众在公共场合佩戴口罩。在新冠疫情爆发初期,由于一次性医用口罩供不应求,普通民众往往不得不自制口罩。针对这一情况,不少科研机构利用自身的专业设备为民众提供行之有效的建议。例如美国阿贡国家实验室的一项研究表明,将多层不同类型的织物结合能够有效提供口罩的过滤效率。

相关论文:

M. Joshua Hendrix et al. “Absenceof Apparent Transmission of SARS-CoV-2 from Two Stylists After Exposure at aHair Salon with a Universal Face Covering Policy — Springfield, Missouri, May2020”, Morbidity and Mortality Weekly Report, 2020, 69, 930

ChristineM. Szablewski et al. “SARS-CoV-2 Transmission and Infection Among Attendees ofan Overnight Camp — Georgia, June 2020”, Morbidity and Mortality Weekly Report,2020, 69, 1023

AbhitejaKonda et al. “Aerosol Filtration Efficiency of Common Fabrics Used in RespiratoryCloth Masks”, ACS Nano, 2020, 14, 6339

关于新冠肺炎研究的其它争论也值得一提。尽管新冠肺炎毫无疑问是一种呼吸道传染病,新冠病毒能否通过分散在空气中的较小的液滴或者颗粒,也即通常所说的气溶胶来传播,在疫情爆发之初并不清楚。不少专业人士认为新冠病毒只能通过较大的液滴传播,而这些液滴通常很快就会落到物体表面,很难移动较远的距离。然而,稍后的多项研究表明,新冠病毒确实有可能通过气溶胶传播。在疫情初期,一些研究还认为O型血的人在感染新冠病毒后比较不容易发展成重症,但稍后的研究并没有发现新冠患者病情严重程度与血型之间有任何关联。

相关论文:

Yuan Liu et al.“Aerodynamic analysis of SARS-CoV-2 in two Wuhan hospitals”, Nature, 2020, 582,557

LeonardoSettiet al. “SARS-Cov-2RNA found on particulate matter of Bergamo in NorthernItaly: First evidence”, Environmental Research, 2020, 188, 109754

SunnyDzik et al, “COVID‐19and ABO blood groups”, Transfusion, 2020, 60, 1883

ChristopherA. Latz et al. “Blood type and outcomes in patients with COVID-19”, Annals ofHematology, 2020, 99, 2113

一言难尽的二氧化碳排放

2020年在二氧化碳排放方面可谓颇具戏剧性的一年。一方面,美国加利福尼亚州和澳大利亚都经历了史无前例的山火。科学家们一致认为,越来越严重山火是人类活动造成的气候变暖的结果,而山火的肆虐又释放出更多温室气体,可谓是一个恶性循环。而另一方面,为了应对新冠肺炎的全球大流行,各国政府都采取了一定措施来限制居民的日常活动特别是出行,由此又导致了一个令人惊讶的结果:2020年上半年全球二氧化碳排放量比去年同期相比下降了8.8%。造成二氧化碳排放量大幅下降的主要原因是人们开车出行显著减少。这一“无心插柳”的大型试验表明,减少乘车出行,或者用更加环保的电动车代替燃油汽车,或将有效降低温室气体的排放量。

相关论文:

Jesse H. Kroll et al. “Thecomplex chemical effects of COVID-19 shutdowns on air quality”, NatureChemistry, 2020, 12, 777

ZhuLiu et al. “Near-real-time monitoring of global CO2 emissionsreveals the effects of the COVID-19 pandemic”, Nature Communications, 2020, 11,5172

在2020年,来自世界各地研究人员还在碳捕捉与封存——将人类活动产生的二氧化碳收集起来并长期储存——领域取得了一定的进展。来自法国里昂大学的一项研究表明,一种多元胺不仅可以与二氧化碳反应,而且其反应产物还可以用来从废旧电池等材料中提取金属进行回收再利用,可谓一举两得。来自美国加州大学伯克利分校的研究人员则开发了一种新型金属有机框架(MOF)材料。用模拟的火电站排放的尾气进行的实验表明,这种材料能够将其中90%的二氧化碳吸收。这是第一种符合美国能源部碳捕捉标准的材料。

相关论文:

Jean Septavaux et al.“Simultaneous CO2 capture and metal purification from waste streamsusing triple-level dynamic combinatorial chemistry”, Nature Chemistry, 2020,12, 202

EugeneJ. Kim et al. “Cooperative carbon capture and steam regeneration withtetraamine-appended metal–organic frameworks”, Science, 2020, 369, 392

对其它行星大气层的新认识

不断加剧的全球气候变暖让地球的大气层毫无疑问地成为科学家们关注的对象,但其它行星的大气层同样有许多值得探索之处。2020年曾经引起轰动的一则科技新闻是研究人员通过对望远镜收集到的微波信号进行分析确认了金星的大气层中存在磷化氢。检测到这种有毒气体有什么特别之处呢?在地球上,磷化氢通常是由微生物活动产生,因此这一发现的含义不言而喻——金星上可能存在着生物!

该研究结果一经公布就引起了轩然大波,虽然一些研究人员对此赶到兴奋,但也有人对结果的可靠程度提出质疑。很快,有专家发现该论文在数据处理中存在错误。部分论文初始作者对数据重新分析后认为,金星大气层中磷化氢的含量只有最初分析结果的五分之一,而另外一部分研究人员对原始数据重新分析后则认为,金星上可能并不存在磷化氢。尽管这一反转有些令人尴尬,但英国牛津大学天体生物学家和天体物理学家Sarah Rugheimer表示,这很好地说明了科学是如何运作的。

相关论文:

Jane S. Greaves et al. “Phosphinegas in the cloud decks of Venus”, Nature Astronomy, https://doi.org/10.1038/s41550-020-1174-4

JaneS. Greaves et al. “Re-analysis of Phosphine in Venus' Clouds”, https://arxiv.org/abs/2011.08176

I.A.G.Snellen et al. “Re-analysis of the 267-GHz ALMA observations of Venus: Nostatistically significant detection of phosphine”, https://arxiv.org/abs/2010.09761

GeronimoVillanueva et al. “No phosphine in the atmosphere of Venus”,https://arxiv.org/abs/2010.14305

实际上,关于金星的大气,我们确实了解得还不够。来自美国约翰斯·霍普金斯大学的研究人员对此前的观测数据重新分析后表明,金星大气中氮气的含量比此前预计的高出40%。研究人员表示,此前人们认为,金星大气的组成在距离金星表面100千米的范围内都是均一的,然而根据最新分析,金星大气可能包含了成分不同的若干层。

相关论文:

Patrick N. Peplowski etal. “Chemically distinct regions of Venus’s atmosphere revealed by measured N2concentrations”, Nature Astronomy, 2020, 4, 947

在2020年,来自美国加州大学伯克利分校的研究人员对太阳系外行星大气中的气溶胶进行了分析。根据他们的分析结果,太阳系外行星大气中的气溶胶成分比此前想象的要简单。表面温度较高的太阳系外行星,其气溶胶主要由硅酸盐组成,而对于表面温度较低的行星,气溶胶成分以烃类有机物为主。

有趣又有用的实验室助手

2020年中的科学成果带给人们的并不是只有沉重,也有不少令人眼前一亮的有趣研究。下面展示的就是几种酷炫又实用的新型实验室工具。

让多步化学反应自动地连续进行往往需要复杂精密的仪器,但来自韩国蔚山科学技术大学校和波兰科学院的研究人员想出了一个简单而又大胆的想法——将不同的液体加入到一个圆柱形的容器中,然后让圆柱以一定速度快速旋转,向心力会使得液体按照不同的密度分成若干层。随后,研究人员向其中一层液体中添加反应物。反应产物如果具有不同的溶解性,会自动进入相邻的另一层液体中。通过这样巧妙的设计,研究人员就可以很好地控制多步反应的进行。

通过让不同液体在高速旋转下分层,研究人员可以让多步化学反应自动连续地进行。上图为这种反应器的实物照片,下图为利用该装置进行化学反应的一个实例。

相关论文:

Olgierd Cybulski et al. “Concentricliquid reactors for chemical synthesis and separation”, Nature, 2020, 586, 57

磁力搅拌子可能是化学实验室最为常见的工具之一,谁能想到聪明的科学家们居然在这种司空见惯的工具上玩出了新花样!来自英国华威大学的研究人员利用3D打印技术将多种传感器集成到磁力搅拌子中。这种“智能磁力搅拌子”能够在长达100个小时的反应过程中实时监控搅拌速率以及反应物的温度、颜色、粘度、电导率、透明程度等性质,并通过无线网络将数据传输出来。目前类似的反应检测系统成本在2000美元左右,而这种智能磁力搅拌子的成本只有不到20美元。也许用不了多久,它就会成为化学实验室的标准配置。

新型智能磁力搅拌子的实物照片,其长度为52毫米

相关论文:

Nikolay Cherkasovet al.“Monitoring Chemistry In Situ with a Smart Stirrer: A Magnetic StirrerBar with an Integrated Process Monitoring System”, ACS Sensores, 2020, 5, 2497

到了下班时间,实验还没做完?不要紧,让机器人来帮你吧。由英国利物浦大学的研究人员开发的这种机器人不仅能够完成称量样品、混合试剂以及测量反应结果等操作,而且还可以利用人工智能对包含了大量不同组合的实验进行优化。新冠疫情期间,许多科研项目负责人常常头疼的一个问题是如何保持社交距离、降低实验室人员密度的同时又不延误正常的实验进度。这种“机器人化学家”的诞生无疑提供了一种独特的解决方案。

相关论文:

Benjamin Burger et al. “Amobile robotic chemist”, Nature, 2020, 583, 237

有机合成领域的新进展

控制反应产物的手性一直是有机合成中的一个热点和难点。所谓手性,指的是两种互为镜像的结构或者分子不能重合,就像我们的左右手一样。由于手性导致的化学式相同但结构不同的分子被称为对映异构。手性的控制在药物合成中尤为重要,这是因为许多互为对映异构的分子往往具有截然不同的生物活性。

在2020年,美国加州理工学院Gregory Fu教授带领的团队报道了一种新的控制反应物手性的反应体系剂。该反应的两种反应物均为外消旋混合物(即等物质的量的一对对映异构体的混合),反应产物具有两个手性中心,理论上存在四种不同的对映异构体。然而,通过使用一种具有手性的镍催化剂,他们能够以95%的高选择性和82%的高产率得到其中的一种异构体。

相关论文:

HaohuaHuo et al, “Catalyst-controlleddoubly enantioconvergent coupling of racemic alkyl nucleophiles andelectrophiles”, Science, 2020, 367, 559

我国中科院上海有机化学研究所游书力研究员带领的团队则发现了另一种控制反应产物手性的方法,而这种方法说起来简单得令人难以置信——控制反应时间。在他们报道的这个反应体系中,在反应6分钟后,反应产物主要是其中一种对映异构体,但如果将反应时间延长至10个小时,反应产物则是另一种对映异构体。游研究员表示,这一结果出乎他的意料,他正带领团队研究类似的效应是否存在于其它反应体系中。

相关论文:

Hang-Fei Tu et al. “Time-dependentenantiodivergent synthesis via sequential kinetic resolution”, NatureChemistry, 2020, 12, 838

氮气在大气中的比例高达78%,可以说是最为廉价的化工原料之一,然而由于氮气分子中存在着键能很高的氮氮三键,让氮气参与化学反应又绝非易事。美国耶鲁大学Patrick Holland教授带领的科研团队通过精心设计的金属催化体系,成功使得氮气与苯反应,得到苯胺的衍生物。

相关论文:

https://cen.acs.org/education/science-communication/CENs-Year-Chemistry-2020/98/i48

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