魏昕宇

剛剛過去的2020年注定要在人類歷史上留下濃重的印跡。

剛剛過去的2020年注定要在人類歷史上留下濃重的印跡。在這個特殊的年份里，全世界的化學(xué)工作者們有哪些值得關(guān)注的成績？像往常一樣，美國化學(xué)會主辦的《化學(xué)化工新聞》為我們進(jìn)行了盤點(diǎn)。

重中之重：關(guān)于新冠病毒的研究

2020年科學(xué)研究的重點(diǎn)無疑是應(yīng)對肆虐全球的新冠肺炎疫情。雖然大部分相關(guān)研究主要集中在疫情監(jiān)控、流行病學(xué)調(diào)查、開發(fā)新的藥物與測試手段等方面，許多關(guān)于新冠病毒的研究仍然與化學(xué)領(lǐng)域相關(guān)。下面列舉的就是其中的一些代表。

新型冠狀病毒SARS-CoV-2的基因序列在年初被公布以后，弄清病毒的三維結(jié)構(gòu)就成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的當(dāng)務(wù)之急，這不僅能夠幫助我們從分子水平研究該病毒的致病機(jī)理，還有助于開發(fā)有關(guān)的藥物和疫苗等。美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Jason McLellan教授率先利用低溫電子顯微鏡確定了新冠病毒表面刺突蛋白的結(jié)構(gòu)。刺突蛋白是新冠病毒用來與人體細(xì)胞上受體結(jié)合的主要蛋白，因而這項研究具有重要的意義。其它多個研究小組也相繼跟進(jìn)。到了11月末，全世界的科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)表了超過500份新冠病毒相關(guān)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

Jason McLellan教授的團(tuán)隊公布的新冠病毒刺突蛋白的結(jié)構(gòu)圖像

相關(guān)論文：

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

口罩無疑是對抗新冠肺炎疫情的重要手段之一。在疫情爆發(fā)之初，許多歐美國家的公共衛(wèi)生官員并沒有建議普通民眾佩戴口罩，并且擔(dān)心這樣的建議可能會導(dǎo)致民眾搶購口罩，從而導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員面臨口罩的短缺。然而，多項研究都證明口罩能夠有效抑制新冠病毒的傳播，這使得包括美國疾病控制與預(yù)防中心在內(nèi)的許多政府機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變立場，推薦并呼吁民眾在公共場合佩戴口罩。在新冠疫情爆發(fā)初期，由于一次性醫(yī)用口罩供不應(yīng)求，普通民眾往往不得不自制口罩。針對這一情況，不少科研機(jī)構(gòu)利用自身的專業(yè)設(shè)備為民眾提供行之有效的建議。例如美國阿貢國家實驗室的一項研究表明，將多層不同類型的織物結(jié)合能夠有效提供口罩的過濾效率。

相關(guān)論文：

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

關(guān)于新冠肺炎研究的其它爭論也值得一提。盡管新冠肺炎毫無疑問是一種呼吸道傳染病，新冠病毒能否通過分散在空氣中的較小的液滴或者顆粒，也即通常所說的氣溶膠來傳播，在疫情爆發(fā)之初并不清楚。不少專業(yè)人士認(rèn)為新冠病毒只能通過較大的液滴傳播，而這些液滴通常很快就會落到物體表面，很難移動較遠(yuǎn)的距離。然而，稍后的多項研究表明，新冠病毒確實有可能通過氣溶膠傳播。在疫情初期，一些研究還認(rèn)為O型血的人在感染新冠病毒后比較不容易發(fā)展成重癥，但稍后的研究并沒有發(fā)現(xiàn)新冠患者病情嚴(yán)重程度與血型之間有任何關(guān)聯(lián)。

相關(guān)論文：

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

一言難盡的二氧化碳排放

2020年在二氧化碳排放方面可謂頗具戲劇性的一年。一方面，美國加利福尼亞州和澳大利亞都經(jīng)歷了史無前例的山火。科學(xué)家們一致認(rèn)為，越來越嚴(yán)重山火是人類活動造成的氣候變暖的結(jié)果，而山火的肆虐又釋放出更多溫室氣體，可謂是一個惡性循環(huán)。而另一方面，為了應(yīng)對新冠肺炎的全球大流行，各國政府都采取了一定措施來限制居民的日常活動特別是出行，由此又導(dǎo)致了一個令人驚訝的結(jié)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們開車出行顯著減少。這一“無心插柳”的大型試驗表明，減少乘車出行，或者用更加環(huán)保的電動車代替燃油汽車，或?qū)⒂行Ы档蜏厥覛怏w的排放量。

相關(guān)論文：

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，來自世界各地研究人員還在碳捕捉與封存——將人類活動產(chǎn)生的二氧化碳收集起來并長期儲存——領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展。來自法國里昂大學(xué)的一項研究表明，一種多元胺不僅可以與二氧化碳反應(yīng)，而且其反應(yīng)產(chǎn)物還可以用來從廢舊電池等材料中提取金屬進(jìn)行回收再利用，可謂一舉兩得。來自美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員則開發(fā)了一種新型金屬有機(jī)框架（MOF）材料。用模擬的火電站排放的尾氣進(jìn)行的實驗表明，這種材料能夠?qū)⑵渲?0%的二氧化碳吸收。這是第一種符合美國能源部碳捕捉標(biāo)準(zhǔn)的材料。

相關(guān)論文：

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

對其它行星大氣層的新認(rèn)識

不斷加劇的全球氣候變暖讓地球的大氣層毫無疑問地成為科學(xué)家們關(guān)注的對象，但其它行星的大氣層同樣有許多值得探索之處。2020年曾經(jīng)引起轟動的一則科技新聞是研究人員通過對望遠(yuǎn)鏡收集到的微波信號進(jìn)行分析確認(rèn)了金星的大氣層中存在磷化氫。檢測到這種有毒氣體有什么特別之處呢？在地球上，磷化氫通常是由微生物活動產(chǎn)生，因此這一發(fā)現(xiàn)的含義不言而喻——金星上可能存在著生物！

該研究結(jié)果一經(jīng)公布就引起了軒然大波，雖然一些研究人員對此趕到興奮，但也有人對結(jié)果的可靠程度提出質(zhì)疑。很快，有專家發(fā)現(xiàn)該論文在數(shù)據(jù)處理中存在錯誤。部分論文初始作者對數(shù)據(jù)重新分析后認(rèn)為，金星大氣層中磷化氫的含量只有最初分析結(jié)果的五分之一，而另外一部分研究人員對原始數(shù)據(jù)重新分析后則認(rèn)為，金星上可能并不存在磷化氫。盡管這一反轉(zhuǎn)有些令人尷尬，但英國牛津大學(xué)天體生物學(xué)家和天體物理學(xué)家Sarah Rugheimer表示，這很好地說明了科學(xué)是如何運(yùn)作的。

相關(guān)論文：

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

實際上，關(guān)于金星的大氣，我們確實了解得還不夠。來自美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究人員對此前的觀測數(shù)據(jù)重新分析后表明，金星大氣中氮?dú)獾暮勘却饲邦A(yù)計的高出40%。研究人員表示，此前人們認(rèn)為，金星大氣的組成在距離金星表面100千米的范圍內(nèi)都是均一的，然而根據(jù)最新分析，金星大氣可能包含了成分不同的若干層。

相關(guān)論文：

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

在2020年，來自美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員對太陽系外行星大氣中的氣溶膠進(jìn)行了分析。根據(jù)他們的分析結(jié)果，太陽系外行星大氣中的氣溶膠成分比此前想象的要簡單。表面溫度較高的太陽系外行星，其氣溶膠主要由硅酸鹽組成，而對于表面溫度較低的行星，氣溶膠成分以烴類有機(jī)物為主。

有趣又有用的實驗室助手

2020年中的科學(xué)成果帶給人們的并不是只有沉重，也有不少令人眼前一亮的有趣研究。下面展示的就是幾種酷炫又實用的新型實驗室工具。

讓多步化學(xué)反應(yīng)自動地連續(xù)進(jìn)行往往需要復(fù)雜精密的儀器，但來自韓國蔚山科學(xué)技術(shù)大學(xué)校和波蘭科學(xué)院的研究人員想出了一個簡單而又大膽的想法——將不同的液體加入到一個圓柱形的容器中，然后讓圓柱以一定速度快速旋轉(zhuǎn)，向心力會使得液體按照不同的密度分成若干層。隨后，研究人員向其中一層液體中添加反應(yīng)物。反應(yīng)產(chǎn)物如果具有不同的溶解性，會自動進(jìn)入相鄰的另一層液體中。通過這樣巧妙的設(shè)計，研究人員就可以很好地控制多步反應(yīng)的進(jìn)行。

通過讓不同液體在高速旋轉(zhuǎn)下分層，研究人員可以讓多步化學(xué)反應(yīng)自動連續(xù)地進(jìn)行。上圖為這種反應(yīng)器的實物照片，下圖為利用該裝置進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的一個實例。

相關(guān)論文:

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

磁力攪拌子可能是化學(xué)實驗室最為常見的工具之一，誰能想到聰明的科學(xué)家們居然在這種司空見慣的工具上玩出了新花樣！來自英國華威大學(xué)的研究人員利用3D打印技術(shù)將多種傳感器集成到磁力攪拌子中。這種“智能磁力攪拌子”能夠在長達(dá)100個小時的反應(yīng)過程中實時監(jiān)控攪拌速率以及反應(yīng)物的溫度、顏色、粘度、電導(dǎo)率、透明程度等性質(zhì)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸出來。目前類似的反應(yīng)檢測系統(tǒng)成本在2000美元左右，而這種智能磁力攪拌子的成本只有不到20美元。也許用不了多久，它就會成為化學(xué)實驗室的標(biāo)準(zhǔn)配置。

新型智能磁力攪拌子的實物照片，其長度為52毫米

相關(guān)論文：

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

到了下班時間，實驗還沒做完？不要緊，讓機(jī)器人來幫你吧。由英國利物浦大學(xué)的研究人員開發(fā)的這種機(jī)器人不僅能夠完成稱量樣品、混合試劑以及測量反應(yīng)結(jié)果等操作，而且還可以利用人工智能對包含了大量不同組合的實驗進(jìn)行優(yōu)化。新冠疫情期間，許多科研項目負(fù)責(zé)人常常頭疼的一個問題是如何保持社交距離、降低實驗室人員密度的同時又不延誤正常的實驗進(jìn)度。這種“機(jī)器人化學(xué)家”的誕生無疑提供了一種獨(dú)特的解決方案。

相關(guān)論文：

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

有機(jī)合成領(lǐng)域的新進(jìn)展

控制反應(yīng)產(chǎn)物的手性一直是有機(jī)合成中的一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)。所謂手性，指的是兩種互為鏡像的結(jié)構(gòu)或者分子不能重合，就像我們的左右手一樣。由于手性導(dǎo)致的化學(xué)式相同但結(jié)構(gòu)不同的分子被稱為對映異構(gòu)。手性的控制在藥物合成中尤為重要，這是因為許多互為對映異構(gòu)的分子往往具有截然不同的生物活性。

在2020年，美國加州理工學(xué)院Gregory Fu教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊報道了一種新的控制反應(yīng)物手性的反應(yīng)體系劑。該反應(yīng)的兩種反應(yīng)物均為外消旋混合物（即等物質(zhì)的量的一對對映異構(gòu)體的混合），反應(yīng)產(chǎn)物具有兩個手性中心，理論上存在四種不同的對映異構(gòu)體。然而，通過使用一種具有手性的鎳催化劑，他們能夠以95%的高選擇性和82%的高產(chǎn)率得到其中的一種異構(gòu)體。

相關(guān)論文：

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

我國中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所游書力研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊則發(fā)現(xiàn)了另一種控制反應(yīng)產(chǎn)物手性的方法，而這種方法說起來簡單得令人難以置信——控制反應(yīng)時間。在他們報道的這個反應(yīng)體系中，在反應(yīng)6分鐘后，反應(yīng)產(chǎn)物主要是其中一種對映異構(gòu)體，但如果將反應(yīng)時間延長至10個小時，反應(yīng)產(chǎn)物則是另一種對映異構(gòu)體。游研究員表示，這一結(jié)果出乎他的意料，他正帶領(lǐng)團(tuán)隊研究類似的效應(yīng)是否存在于其它反應(yīng)體系中。

相關(guān)論文：

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

氮?dú)庠诖髿庵械谋壤哌_(dá)78%，可以說是最為廉價的化工原料之一，然而由于氮?dú)夥肿又写嬖谥I能很高的氮氮三鍵，讓氮?dú)鈪⑴c化學(xué)反應(yīng)又絕非易事。美國耶魯大學(xué)Patrick Holland教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊通過精心設(shè)計的金屬催化體系，成功使得氮?dú)馀c苯反應(yīng)，得到苯胺的衍生物。

相關(guān)論文：

Sean F.McWilliams et al. “Coupling dinitrogen andhydrocarbons through aryl migration”, Nature, 2020, 584, 221

原文鏈接：

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

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