從機(jī)器學(xué)習(xí)到量子計(jì)算，從電合成到酶催化到流動(dòng)化學(xué)，從分子機(jī)器到單個(gè)分子生長(zhǎng)……這些都給2017年的化工科研界帶來(lái)了驚喜。近日，美國(guó)化學(xué)會(huì)旗下《C&EN》雜志評(píng)選出了幾項(xiàng)化學(xué)領(lǐng)域的重大研究進(jìn)展。本刊編輯部對(duì)其進(jìn)行編譯，以饗讀者。

用機(jī)器推動(dòng)化學(xué)預(yù)測(cè)

2017年機(jī)器學(xué)習(xí)和量子計(jì)算方面的一些發(fā)展大幅推動(dòng)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)。包括巴斯夫和陶氏化學(xué)公司在內(nèi)的化學(xué)公司與IBM和慧與公司(Hewlett Packard Enterprise ，從惠普公司中拆分出來(lái)的公司）等計(jì)算機(jī)巨頭結(jié)成了聯(lián)盟，以加快垂直領(lǐng)域商業(yè)應(yīng)用的腳步。機(jī)器學(xué)習(xí)是指使計(jì)算機(jī)能夠超越嚴(yán)格的編程指令，從決策中學(xué)習(xí)、實(shí)施決策并根據(jù)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的算法。在化學(xué)方面，華盛頓大學(xué)的David Baker及其同事報(bào)告稱他們已經(jīng)使用這種技術(shù)來(lái)確定600個(gè)結(jié)構(gòu)未知的蛋白質(zhì)家族的三維構(gòu)象。某國(guó)際小組則利用這種方法使計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)化合物的分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)其氣味。這種對(duì)嗅覺(jué)認(rèn)知的學(xué)習(xí)，有一天可能使香料行業(yè)受益。

在一些研究人員推動(dòng)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的化學(xué)預(yù)測(cè)功能的同時(shí)，IBM、微軟和谷歌的科學(xué)家們推動(dòng)了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。與使用晶體管和存儲(chǔ)器單元來(lái)處理近似電子波函數(shù)的1和0的傳統(tǒng)機(jī)器不同，量子計(jì)算機(jī)使用磁元件或稱為量子位的其他類型的雙狀態(tài)量子系統(tǒng)來(lái)表示波函數(shù)，作為電子能量和電子態(tài)的疊加。該策略意欲使量子計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的復(fù)雜分子的特性，雖然這僅僅是推測(cè)，但2017年IBM的研究人員通過(guò)用一個(gè)7量子位計(jì)算機(jī)計(jì)算出氫化鋰和氫化鈹?shù)幕鶓B(tài)能量，使這項(xiàng)研究取得了里程碑式的突破。

電合成為化學(xué)家充電

2017年，電化學(xué)有機(jī)合成成為追求更安全、更環(huán)保、更廉價(jià)的有機(jī)合成工藝領(lǐng)域的新寵。

盡管電化學(xué)合成已經(jīng)很成熟，但化學(xué)家一直不愿將其用于常見(jiàn)的有機(jī)反應(yīng)，如C-H活化或芳烴交叉偶聯(lián)，他們認(rèn)為這種方法過(guò)于繁瑣或昂貴。但該技術(shù)自2015年以來(lái)一直處于上升趨勢(shì)，并于今年全面爆發(fā)。華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的 Kevin D. Moeller評(píng)論道：“合成化學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)將電化學(xué)視為少數(shù)人做有趣反應(yīng)的一個(gè)領(lǐng)域，這些反應(yīng)對(duì)其他人來(lái)說(shuō)難以重復(fù)。但這種觀點(diǎn)正在改變：該領(lǐng)域的受歡迎程度正在急劇上升。”在有機(jī)合成中，當(dāng)用電流作為替代試劑時(shí)，就能避免使用有毒或危險(xiǎn)的試劑、保護(hù)基團(tuán)和有機(jī)合成中常用的催化劑。此外，電合成可以減少或消除反應(yīng)器冷卻或加熱工序，減少能源消耗。

當(dāng)今，有機(jī)合成化學(xué)家正面臨著制造越來(lái)越復(fù)雜分子的挑戰(zhàn)，與此同時(shí)還要確保比以前更環(huán)保、更加可持續(xù)、更安全并且更有成本效益。德國(guó)美因茨大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)（Evonik Industries）的研究人員合作，開(kāi)發(fā)了一種用于交叉偶聯(lián)反應(yīng)的一步法電合成，以制備重要的化學(xué)中間體聯(lián)芳基二醇和二胺。電合成代表了一種顛覆性的技術(shù)，將成為行業(yè)游戲規(guī)則的改變者。除了推動(dòng)開(kāi)發(fā)新的電化學(xué)反應(yīng)，學(xué)術(shù)研究小組還為有機(jī)合成組織開(kāi)發(fā)了用戶友好的儀器。

2017年，加州斯克利普斯研究所（Scripps Research Institute）的 Phil S. Baran團(tuán)隊(duì)多次使用電合成制備萜（Terpene）類化合物，并幫助IKA建立了電化學(xué)合成系統(tǒng)的現(xiàn)代化版本ElectraSyn 2.0。

酶發(fā)現(xiàn)進(jìn)入新時(shí)代

酶在化學(xué)研究和化工領(lǐng)域扮演重要角色。2017年，基于酶的前沿研究爆發(fā)。一方面，科學(xué)家對(duì)酶進(jìn)行模擬合成和修飾，另一方面，大量新型酶被發(fā)現(xiàn)。這些酶在生物催化和合成生物學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。2017年的進(jìn)展包括改進(jìn)的烯烴氧化、脂肪酸脫羧和芳烴烷基化。搜索顯示，《C＆EN》 2017年大約有200篇文章報(bào)道了酶，每期大約四篇文章，其中有許多是關(guān)于前沿發(fā)現(xiàn)。哈佛大學(xué)的Emily P. Balskus認(rèn)為：“我們正在進(jìn)入發(fā)現(xiàn)酶的新時(shí)代。要增加生物催化及合成生物學(xué)涉及到的分子類型，需要不斷發(fā)掘新的酶。”

《C＆EN》評(píng)選的2017年關(guān)于酶最為矚目的研究有：

① 哈佛大學(xué)Balskus研究小組精心研究了藍(lán)藻用來(lái)合成芳香天然產(chǎn)物cylindrocyclophanes的酶。Balskus及其合作者發(fā)現(xiàn)的一種酶CylK，用來(lái)自烷基鹵的烷基裝飾芳香環(huán)。另一種酶CylC有助于生成需要進(jìn)行CylK反應(yīng)的烷基氯化物。

② 加州理工學(xué)院的弗朗西斯·H·阿諾德（Frances H. Arnold）和同事們采用了一種叫作定向進(jìn)化的技術(shù)，來(lái)開(kāi)發(fā)一種效果更好的反馬爾科夫尼科夫酶。定向進(jìn)化是一種迭代的蛋白質(zhì)突變和篩選過(guò)程，賦予酶本身所沒(méi)有的能力。阿諾德的研究小組確定了12個(gè)氨基酸取代（紅色圓圈），將一種名為P450LA1的常規(guī)烯烴氧化酶轉(zhuǎn)化為主要為立體選擇性的反馬爾科夫尼科夫催化劑，促使催化效率提升幾百倍。

③ 由法國(guó)替代能源和原子能委員會(huì)的弗雷德·貝松（Fred Beisson）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組發(fā)現(xiàn)，微藻擁有一種不尋常的酶，能利用光將脂肪酸脫羧轉(zhuǎn)化為烷烴或烯烴。研究人員研究了合成碳?xì)浠衔锏奈⒃濉⒌@些微藻沒(méi)有通常執(zhí)行該任務(wù)的酶的基因。通過(guò)純化來(lái)自微藻的酶，他們鑒定了脂肪酸光脫羧酶。這種具有前所未有活性的酶可將脂肪酸轉(zhuǎn)化成14-18碳烷烴或烯烴。

流動(dòng)化學(xué)（FLOW CHEMISTRY）

進(jìn)軍制藥業(yè)

近年來(lái)，連續(xù)反應(yīng)工程在學(xué)術(shù)界取得了穩(wěn)步發(fā)展。2017年，連續(xù)化學(xué)合成法（用管子和T型接頭反應(yīng)器取代了用于批量反應(yīng)的燒瓶和攪拌棒）成功進(jìn)軍制藥行業(yè)。禮來(lái)公司的化學(xué)家使用連續(xù)反應(yīng)作為一種更安全、更快、更廉價(jià)的方法，合成出了化療候選藥物。該合成方法最值得關(guān)注的部分是，禮來(lái)公司的化學(xué)家將連續(xù)工藝的最后階段與質(zhì)量控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到了cGMPs標(biāo)準(zhǔn)。

此外，流動(dòng)化學(xué)公司Snapdragon與輝瑞公司合作，準(zhǔn)備制備一種高反應(yīng)活性試劑allenyllithium，用于制備重要的藥物中間體。Snapdragon還與Johnson Matthey（一家領(lǐng)先的藥品化學(xué)藥品供應(yīng)商）達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議，將在用于藥品生產(chǎn)的流動(dòng)化學(xué)方面進(jìn)行合作。

小機(jī)器的大動(dòng)作

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，化學(xué)家們一直在創(chuàng)造分子機(jī)器——單個(gè)分子，類似于電機(jī)、轉(zhuǎn)子，甚至微型汽車。作為2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的新寵，轉(zhuǎn)子、鉆頭、滑輪更多地被研究人員付諸于研發(fā)中。分子機(jī)器在2017年繼續(xù)成為頭條新聞并不令人意外，包括加強(qiáng)型電機(jī)轉(zhuǎn)子組合，旨在提升電池性能的聚合物滑輪，以及世界上第一款納米級(jí)賽車。從分子泵到重塑聚合物的巧妙設(shè)計(jì)，反映了分子機(jī)器如何帶來(lái)響應(yīng)性和適應(yīng)性行為，從而實(shí)現(xiàn)了眾多潛在應(yīng)用。

在世界首場(chǎng)納米賽車比賽中，真正的賽車手可能根本就不需要?jiǎng)樱驗(yàn)檫@些小賽車是以納米級(jí)測(cè)量的，其賽道必須用掃描隧道顯微鏡來(lái)觀察。在這場(chǎng)競(jìng)技中，Nanoprix團(tuán)隊(duì)獲得了頂級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，他們的偶極賽車擁有獨(dú)特的低粘附分子車輪、炔基車軸、芳基底盤，以及車前后端的偶極功能。

萊斯大學(xué)詹姆斯·M·圖爾（James M. Tour）領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們把紫外光激活的分子馬達(dá)變成了可以穿透細(xì)胞膜的小鉆孔，即讓足夠的電動(dòng)機(jī)鉆入癌細(xì)胞中，以在幾分鐘內(nèi)破壞細(xì)胞的完整性。圖爾表示，癌細(xì)胞不會(huì)像許多化療藥物一樣對(duì)分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生抗性。

曼徹斯特大學(xué)的David A. Leigh和同事們構(gòu)建了一種可編程的分子機(jī)器，它通過(guò)不對(duì)稱地向，α，β-不飽和醛底物中加入巰基和烯烴取代基，產(chǎn)生四種不同的產(chǎn)物。該機(jī)器具有一個(gè)臂和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，可以在R立體化學(xué)的位置和S立體化學(xué)位置之間移動(dòng)，具體取決于pH值。

斯特拉斯堡大學(xué)Nicolas Giuseppone領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將兩種光激活分子機(jī)器結(jié)合在一起，創(chuàng)建了一種扭曲系統(tǒng)，可以將聚合物鏈纏繞并展開(kāi)，從而形成一種根據(jù)照射在其上的光的波長(zhǎng)而收縮和膨脹的材料。

由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院的Ali Coskun和Jang Wook Choi領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種聚合物，當(dāng)加入到硅陽(yáng)極中時(shí)，可以減輕陽(yáng)極在充電和放電時(shí)的應(yīng)力，從而延長(zhǎng)其壽命。聚合物成功的秘密是由線性聚合物聚丙烯酸共價(jià)連接到含有機(jī)械鍵的聚輪烷制成的網(wǎng)絡(luò)。在電池充電過(guò)程中，隨著硅陽(yáng)極的膨脹，聚輪烷的環(huán)沿著鏈條自由滑動(dòng)以消除應(yīng)力，像滑輪系統(tǒng)那樣工作。

聚合物鏈生長(zhǎng)的可視化

研究人員可以通過(guò)將聚合物鏈連接到玻璃載片上并結(jié)合到磁性顆粒上的釕催化劑上，然后用一對(duì)磁性鑷子牽引鏈來(lái)觀察開(kāi)環(huán)聚合的等待——跳躍動(dòng)態(tài)過(guò)程。康乃爾大學(xué)的研究人員在2017年首次實(shí)現(xiàn)了聚合單體聚合反應(yīng)中聚合物鏈增長(zhǎng)的實(shí)時(shí)可視化，為聚合物研究界帶來(lái)了驚喜。

由于分析技術(shù)的局限性，對(duì)于聚合單體在聚合反應(yīng)中聚合物鏈如何生長(zhǎng)的觀點(diǎn)一直不明朗。研究人員通常使用動(dòng)態(tài)光散射等方法一次觀察聚合物樣品中的所有分子，然后從數(shù)據(jù)中提取有關(guān)鏈的大小分布和其他聚合物參數(shù)的信息。但是，這些數(shù)據(jù)并沒(méi)有得到光譜法的證實(shí)。康奈爾研究小組將其實(shí)驗(yàn)方法與分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)合起來(lái)，以便觀察聚合物生長(zhǎng)。康奈爾大學(xué)的研究小組使用一對(duì)磁性鑷子，通過(guò)光學(xué)顯微鏡和光譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的聚合物鏈不像化學(xué)家所設(shè)想的那樣從催化劑上順利地連續(xù)生長(zhǎng)，而是經(jīng)歷連續(xù)的等待和跳躍步驟。能夠在聚合反應(yīng)等重要反應(yīng)中觀察動(dòng)力學(xué)，并通過(guò)建模來(lái)理解動(dòng)力學(xué)，這是一項(xiàng)激動(dòng)人心的技術(shù)進(jìn)步。