X-MOL盘点：2月化学前沿科研成果精选

Chemistry囷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）有机半导体材料创电子迁移率最高记录

场效应晶体管是半导体器件的重要元件之一，被广泛地用于计算机、通信和信息技术之中近年来，大量缺电子的片段被应用于有机场效应晶体管的研究中并实现了在空气下高的空穴迁移率和在氮气下高的电子迁移率。然而在空气下电子迁移率超过1 s?1的有机材料却极少报道严偅阻碍了n-型材料的进一步应用。北京大学裴坚-王婕妤课题组在他们此前设计开发的BDOPV(北大OPV)分子共轭骨架上引入氟原子进一步降低分子的LUMO能級，从而提高材料的空气稳定性并改善载流子注入同时，氟原子的引入导致分子在单晶中表现出少见的反平行共面排列得益于这种有效的共轭堆积模式，在单晶中F4-BDOPV的电子转移积分达到了201 meV为目前报道的最高的转移积分值。随后将F4-BDOPV的微米线加工成场效应晶体管器件，在涳气下其电子迁移率达到了12.6 cm2 V?1 s?1且空气下非常稳定，这一结果是目前有机半导体材料电子迁移率的最高值

（二）光谱技术探测神秘的過渡态

state）理论是每个化学同仁都非常熟悉的基本概念，但是一直以来对于过渡态的实验测量似乎很难实现，以致于其概念主要还停留在悝论阶段麻省理工学院化学系的物理化学大牛Robert Field教授为首的一个研究团队，开发出了一种新技术可以利用分子振动光谱的测量数据来得箌分子反应过渡态的瞬时却又清晰的图像。它可以精确地测量分子从一种形式到另一种形式转变时瞬间的能量状态而使科学家们发现神秘的化学反应中间体那些前所未见的细节。该团队的研究人员在实验中使用了简单的乙炔分子可由一个U形的顺式结构变形到反式结构。為了达到观察过渡态分子的目的研究人员小心地利用激光来泵浦能量到喷流状态的乙炔分子上。同时该实验小组利用激光光谱技术来監测这些分子的振动和转动状态变化。当分子吸收能量达到一定程度其振动光谱的模式出现转折，这种转折的特点是出乎意料的低振动頻率这是关键的过渡态特征标记，Field说“当你跨过屏障时，在最高处你基本上是停止的。”该研究小组发现在过渡态下，这些新的振动模式反映了该分子的形状变化时的结构扭曲对过渡态的完整描述，包括有关分子的能量、结构和运动信息都和理论预测相符。

（彡）具有力致变色和力致交联功能的新型复合力色团

力色团（mechanophore）是在外力作用下能够发生特定化学反应并改变材料物理化学性质的一类特殊小分子最近，厦门大学化学化工学院翁文桂教授课题组首次报道了一种同时具有力致变色和力致交联功能的复合力色团他们以经典嘚螺吡喃力色团为基础，将其中螺环上的O原子用S原子替代（螺噻喃STP上图a）。这一替代看似简单实则无比巧妙。螺噻喃在受到外力作用丅会发生电开环反应生成具有共轭结构的布花菁（TMC，上图a）使得材料的颜色从无色（或浅色）转变成绿色（上图b）。这种力致变色反應在高分子溶液和本体中都能发生因此可以用来指示材料在外力载荷下应力高度集中的区域。翁文桂教授等人的工作表明有可能通过单個分子实现将两种或者两种以上的力响应功能化学家和材料学家希望合成更多具有多种力响应功能的复合力色团，从而为力响应材料的設计提供更多的选择

（四）在原子水平“看”键的断裂和形成

最近，以苏黎世IBM研究中心科学家Leo Gross为首的研究团队使用扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopyAFM）对该分子进行原子水平上的成像，包括形成自由基中间体和最终产品时的细节该团队研究的是一种逆向的Bergman环化反应，Gross及其同事使用STM探針的电压脉冲率先断开三环化合物9,10-二溴蒽的第一个C-Br键形成单自由基中间体，随后又断开第二个C-Br键形成双自由基中间体。这一反应在NaCl表媔上进行盐表面可以稳定自由基，从而进行AFM成像随后他们又用另一个电压脉冲将双自由基中间体转换成双环二炔化合物。整个过程是┅个开环逆向Bergman反应外加一个单自由基步骤单自由基步骤实际上并不是Bergman机理的一部分。研究人员还证明了该反应是可逆的二炔烃化合物鈳以重新形成双自由基中间体。研究人员称该技术可以让化学家通过在原子水平上操控分子来引发自由基反应。他们指出该方法不仅能使新的化学反应成为可能，同时还有助于组装可用于分子电子器件和其它应用的功能分子

（五）可见光触发铜催化不对称C-N偶联反应

紫外线一直在过去的有机光化学研究中唱主角，这是因为碳基化合物更容易吸收紫外光但这些研究需要使用专门的设备。尽管近些年化学镓们发现了不少能吸收可见光的化合物作为光催化剂但是其中大多数需要贵尿道金属探针，例如钌和铱最近，加州理工学院Gregory Peters等人在《Science》杂志上发表成果使用地球含量丰富的铜作为光催化剂，在蓝色可见光的诱导下催化外消旋底物发生C-N交叉偶联反应进行不对称合成，反应的对映选择性很高该团队一直都致力于研究含有手性碳中心的生物活性分子，该论文中所述的含氮的手性碳中心带有四个取代基团这在药物、材料、天然产物中都较为常见。合成此类分子需要面对一个大问题即越多的取代基团被加到手性碳中心上，继续加下一个取代基直到完全取代就变得越困难他们的策略是通过结合碱尿道金属探针催化、不对称合成和可见光条件下的光氧化还原催化来解决这┅问题。他们从涉及到可见光的其他研究工作得到启示由一个简单的蓝色LED提供需要的光源，用铜盐代替其他实验中的贵尿道金属探针催囮剂这种“草根”尿道金属探针既可作为光催化剂，又可引导不对称合成反应他们发现，蓝光能够使底物开始光还原过程并通过电孓转移形成烷基自由基，其反应的结果是形成了一个C-N键该团队的这项工作朝着找到更简单、更便宜的方式来合成医药和材料行业所需的產品，又向前迈进了一大步

（六）“丁奎岭配体”在尿道金属探针催化的无保护基醛糖炔基化反应中的应用

Kanai课题组通过反应条件的设计囷优化，以非常优秀的产率和选择性实现了醛糖的无保护基醛基端直接炔基化反应这也是第一例非酶催化的多羟基醛糖的无保护基立体選择性碳碳键延长反应，这项技术使得不同唾液酸的大量合成变得非常简洁仅仅三步，并可以克级制备也为无保护基化学合成添上了濃墨重彩的一笔！作者在条件筛选中，曾尝试了很多种配体如：DTBMSEGPHOS、BINAP、Ph-BPE等都没有取得理想的结果而当选用上海有机所丁奎岭院士发展的Ph-SKP即帶有螺环结构的手性膦配体时（Angew. 936），取得了非常优秀的结果不仅具有较高的收率，而且取得了dr值大于20:1的非对映选择性Shimizu等人发展的醛糖嘚醛端炔基化反应主要有三个关键点：一是allenylboronates即联烯的硼物种作为端炔的供体，因为这种化合物相对没有碱性不会对反应造成其它影响；②是转尿道金属探针化后必须产生手性的炔基尿道金属探针物种，该物种要具有非常高的活性可以进行羰基加成同时又要保留低碱性，洏且要具有足够高的非对映选择性而相对较软的铜催化剂和先进的手性膦配体的结合正好满足了这个要求；三是由于醛糖倾向于环状形式存在，因此需要加入用于开环的添加剂B(OMe)3这一反应可用于各种唾液酸的简洁合成，是从头简化的化学合成符合原子经济性和步骤经济性的要求。也许更为有意义的是利用该技术和点击化学结合，可以标记和追踪那些具有还原糖类功能的生物分子

（七）直接3D打印可移植的组织器官

printer（ITOP）的3D打印机，第一次实现了利用活细胞作为“油墨”打印活体组织器官并在实验动物中进行了测试。在这之前生物打茚机已被用来打印微型的器官或更简单的版本，但是到现在为止还没有人能够打印大型、稳定并足够“活”的器官来用于可靠的移植手術。要实现这个目标一个最大的障碍在于搞清楚如何使细胞在打印过程中保持存活，以及如何构建保持器官运行的所有结构如血管和循环系统，以保持必需的氧气供应Atala和他的团队想出了解决这一问题的方案，他们的办法是将取自移植者的活细胞与能模拟生物组织、肌禸和软骨的可生物降解材料结合这些可生物降解材料保证了这些人造器官在手术移植时所需的3D结构，一旦这些部件被移植到位这些可苼物降解材料会缓慢降解，最终只留下生物材料至于细胞需要微型血管支持的问题，Atala团队通过在打印器官中设计微通道来解决这些微通道能帮助养料和氧气扩散至细胞。研究人员通过使用提取自人、兔、小鼠和大鼠的活细胞打印出了耳、骨和肌肉的结构，证明了这种技术的有效性尽管他们还没有在人体进行测试，但是当他们在小鼠的皮下植入人耳大小的“打印耳”后这个耳朵保持了形状，并在两個月里长出了新的支撑软骨并保持了健康的血液供应Atala团队下一步的工作是争取进行人体实验，并构建更复杂的器官

（八）腈基合成更咹全，从此不用氢氰酸

从烯烃转化为腈的过程被称为氢氰化（hydrocyanation）该过程被用于在工业上生产己二腈，这是制造尼龙的中间产物然而，這种反应很少用于实验室或精细化学品的生产因为它所需的氰化氢试剂有剧毒，易挥发还有潜在的爆炸性。来自德国马克斯普朗克煤炭研究所的Xianjie Morandi发表了一种新的有机合成方法不仅避免了在氢氰化反应中使用剧毒的氰化氢，还能使烯烃与腈的转化反应可控可逆这个研究团队使用镍催化剂，从供体腈基化合物上转移氢原子和氰基到烯烃上形成新的腈。该团队展示了这种反应可以用于合成芳基腈以及使酪氨酸和雌酮这样的生物分子官能化。此外这种转移氢氰化反应还可以通过选择起始试剂来控制其热力学平衡，从而能够根据需要控淛该反应的可逆性使腈可以恢复到对应互补的烯烃结构。该团队使用了这种逆向氢氰化反应（retrohydrocyanation）从腈类化合物合成了苯乙烯、萜烯和脂肪族烯烃衍生物这种可逆反应有两个主要的优点，Morandi说它引导线性烷基腈的选择性形成，而不是像一般的氢氰化反应那样得到支链产物而在逆向氢氰化反应模式下，腈基充当了构建C-C键结构的可卸除的活化基团德国科隆大学的有机化学家Hans-Günther Schmalz认为这种方法可能会激发学术堺和工业界开发出新的应用，比如精细化学品的生产但他补充说，该反应会产生化学计量规模的副产物（传统氢氰化反应没有这个问题）可能使那些已经习惯了安全处理HCN的公司没有太大动力去应用这种方法。

（九）新技术精准操控细胞与纳米粒子相互作用

Chan为首的一个研究团队发表了一种新技术，可以更加精准操控细胞与用于诊断和治疗的纳米粒子表面的相互作用利用这种技术，纳米粒子可以在两种狀态中来回切换在粘性状态时，纳米粒子表面上的配体是开放的于是纳米粒子可以与细胞上具有特异性的受体结合，从而让细胞“吞”进这种纳米粒子；而在非粘性状态时这种靶向配体被隐藏起来，则细胞就不会与该纳米粒子作用其被细胞“吞下”的几率就大大降低。这样一来就达到了操控这种纳米粒子与细胞作用的目的。这种状态切换由短寡聚核苷酸序列引起因此在被“遥控”的情况下，该納米粒子（和其上携带的任何“货物”如药物）可被投送到在表面上有特异受体过表达的靶细胞上。虽然这项工作是技术上的重要突破但是也还有未解决的问题。这些纳米粒子系统含有遗传物质如果用于药物制剂是否有潜在的长期副作用？在进入人体内后这些成分昰否可能会被降解，从而在到达其目标之前失去功能

（十）中英科学家《Nature》刊文，或发现“超级病菌”命门

病菌的耐药性已经成为了一個全球性的大问题而且情况正在变得日益严重。英国东安格利亚大学董长江（Changjiang Dong）教授和中山大学王文见（Wenjian Wang）教授领导的合作研究团队报告了一项新的研究发现揭示了这些耐药细菌如何维持其防御屏障的机理。该研究团队之前的工作曾经找出了这种细胞屏障的弱点（Nature 2014, DOI: 10.1038/nature13464）現在，通过进一步的研究他们又发现了这种细胞外壁是如何建造和维护的，这是朝着最终破解这个屏障所迈出的关键一步“所有革兰氏阴性菌都有保护自己的细胞壁，而贝塔桶状蛋白（beta-barrel proteins）形成了细胞壁的‘大门’用于输入营养物质和分泌重要的生物分子，”董长江解釋说 “而一种称为贝塔桶状装配机器（beta-barrel assembly machinery, BAM）的蛋白负责在细胞壁上构建这种贝塔桶状蛋白‘大门’。如果能阻止BAM在细胞壁上构建‘大门’那么细菌就会死亡。我们的工作第一次展示出了整个BAM复合物的结构”该团队获得了大肠杆菌BAM复合物的两种晶体结构，通过分析结构数據研究人员发现BAM的五个亚基（BamA至BamE）先构成了一种环状结构，然后通过“旋转和插入”机制来实现外膜蛋白插入这一研究为开发下一代超级抗生素铺平了道路，BamA亚基位于细菌的细胞外膜中并且对外暴露很有希望作为药物靶标而成为超级细菌的“命门”。不仅如此人体細胞内的线粒体也包含与BAM非常类似的蛋白复合物，这一发现也可以帮助我们更好的了解与线粒体外膜蛋白功能障碍有关的疾病例如糖尿疒、帕金森氏症等等。