來源：化學(xué)科訊

2019年，對(duì)化學(xué)領(lǐng)域具有特殊意義。這一年，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Union of Pure and Applied Chemistry，簡(jiǎn)稱IUPAC）成立100周年。在成立100周年紀(jì)念日上，IUPAC首次公布了化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)名單：納米農(nóng)藥、對(duì)映選擇性有機(jī)催化、固態(tài)電池、流動(dòng)化學(xué)、反應(yīng)擠出、用于集水的MOFs和多孔材料、選擇性酶的定向進(jìn)化、從塑料到單體、自由基聚合反應(yīng)的可逆失活和3D生物打印。

文章信息

1、納米農(nóng)藥

隨著世界人口不斷增長(zhǎng)，到2050年，全球人口有可能達(dá)到100億人。要養(yǎng)活這么多人，世界各國(guó)必須在保持作物可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，大幅提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，盡量減少土地使用對(duì)環(huán)境的影響、減少用水量、減輕化肥或殺蟲劑等農(nóng)用化學(xué)品的污染。而納米技術(shù)的出現(xiàn)契合了這種發(fā)展需求，不出所料地吸引了大量制藥和衛(wèi)生行業(yè)的廣泛關(guān)注。量身定制的“納米輸送系統(tǒng)”，由于很好解決了傳統(tǒng)農(nóng)藥諸如環(huán)境污染、生物積累、害蟲抗性大幅增加等問題，將成為農(nóng)民植保作業(yè)一個(gè)有力工具。當(dāng)然，關(guān)于納米農(nóng)藥在田間地頭的實(shí)際效果還待進(jìn)一步評(píng)估，但這個(gè)技術(shù)應(yīng)用前景毋容置疑。現(xiàn)階段，加拿大有公司已獲得美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的批準(zhǔn)，將納米殺蟲劑和殺菌劑進(jìn)行商品化生產(chǎn)。納米農(nóng)藥技術(shù)可能不是新型、可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的唯一路徑，但它肯定是一種對(duì)環(huán)境和人類健康的影響更小、更先進(jìn)的農(nóng)藥，有可能將改變世界農(nóng)業(yè)植保防治的發(fā)展方向。

2、對(duì)映選擇性有機(jī)催化

化學(xué)家一直在向大自然學(xué)習(xí)，夢(mèng)想找到一種催化劑，跟大多數(shù)天然酶一樣不需要使用昂貴的金屬。20世紀(jì)90年代后期，“有機(jī)催化”開始出現(xiàn)。最初，一些化學(xué)家批評(píng)有機(jī)催化不像它聲稱的那樣綠色 - 它需要高催化劑負(fù)載，而且，反應(yīng)后很難回收，這似乎違背了催化的定義。然而，Melchiorre指出研究人員如何克服大多數(shù)這些問題。他說有機(jī)催化的最初焦點(diǎn)是“開發(fā)新方法而不是降低催化劑負(fù)荷”。

然而，由于化學(xué)家了解降低催化劑用量可能產(chǎn)生的工業(yè)影響，他們只使用百萬分之幾的有機(jī)催化劑來制定手性碳 - 碳鍵的方法。“這仍然無法與金屬相媲美，但成本要低得多，”他補(bǔ)充道。Melchiorre強(qiáng)調(diào)了有機(jī)催化如何種植化學(xué)領(lǐng)域并最終在其他領(lǐng)域發(fā)揮作用，尤其是光催化氧化催化，它允許新型轉(zhuǎn)化：“[David] MacMillan創(chuàng)造了兩個(gè)領(lǐng)域之間的聯(lián)系。光活化使得醛類與烯胺的烷基化反應(yīng)成為可能。這種反應(yīng)不能用經(jīng)典的有機(jī)催化方法完成。“許多其他領(lǐng)域已經(jīng)從有機(jī)催化中出現(xiàn)，現(xiàn)在工業(yè)已經(jīng)擴(kuò)大了不對(duì)稱有機(jī)催化方案，以合成精細(xì)化學(xué)品和藥物。

3、固態(tài)電池

早在19世紀(jì)，電化學(xué)先驅(qū)邁克爾-法拉第就提出了固態(tài)電池的概念。然而，他們的發(fā)展直到最近才成為現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在，來自博世，戴森，豐田和英特爾等多個(gè)行業(yè)的重要行業(yè)正在投資數(shù)十億美元。現(xiàn)在無處不在的鋰離子電池的共同發(fā)明者John Goodenough最近公布了一種使用玻璃作為電解質(zhì)的電池，證明固態(tài)電池比以往更接近市場(chǎng)。與為我們的智能手機(jī)，平板電腦和筆記本電腦供電的鋰離子電池相比，固態(tài)電池更輕，允許更高的能量存儲(chǔ)，并且在高溫下表現(xiàn)良好。此外，與鋰離子技術(shù)中使用的電解質(zhì)不同，固態(tài)電解質(zhì)不易燃，可能避免自發(fā)火災(zāi)和爆炸，就像幾年前三星Galaxy Note 7推出的火焰一樣。然而，新技術(shù)仍然非常昂貴。

4、流動(dòng)化學(xué)

流動(dòng)化學(xué)中的反應(yīng)是在不斷流動(dòng)的過程中進(jìn)行而不是批量生產(chǎn)，最終將處理有害物質(zhì)和提高生產(chǎn)率的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，同時(shí)防止危害并降低對(duì)環(huán)境的影響。雖然有些人認(rèn)為流動(dòng)化學(xué)處于非常早期的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室階段，但高效的工業(yè)應(yīng)用越來越普遍。

早在2015年，麻省理工學(xué)院的化學(xué)家就證明了流動(dòng)化學(xué)的潛力，可以創(chuàng)造出經(jīng)典批次技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的定制聚合物。據(jù)該領(lǐng)域的專家介紹，流程更快，更簡(jiǎn)單，更可靠，這與SDG目標(biāo)非常一致。

最近的實(shí)例甚至已經(jīng)顯示出流動(dòng)化學(xué)可以承受有害試劑如有機(jī)鋰化合物的潛力。默克化學(xué)家實(shí)現(xiàn)了100千克規(guī)模的verubecestat前體合成，這是一種治療阿爾茨海默病的III期候選藥物。最近的其他實(shí)例包括環(huán)丙沙星（一種必需的抗生素）的流動(dòng)合成，以及由輝瑞公司開發(fā)的自動(dòng)流動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠每天分析多達(dá)1500個(gè)反應(yīng)條件（點(diǎn)擊查看：顛覆有機(jī)合成"人海戰(zhàn)術(shù)"，輝瑞新技術(shù)每天篩選1500次反應(yīng)），加速了新藥和現(xiàn)有藥物的最佳合成途徑的發(fā)現(xiàn)。

5、反應(yīng)擠出

隨著流動(dòng)化學(xué)的發(fā)生，反應(yīng)擠出成為一種允許化學(xué)反應(yīng)完全無溶劑化的技術(shù)。消除潛在有毒溶劑使該過程對(duì)環(huán)境友好。然而，它產(chǎn)生了許多工程挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰獙?duì)現(xiàn)有的工業(yè)流程進(jìn)行全面的重新設(shè)計(jì)。盡管擠出工藝已被聚合物和材料專家廣泛使用和研究，但在制備有機(jī)化合物方面還不夠成熟。化學(xué)家們使用球磨機(jī)已經(jīng)制備了氨基酸，腙，硝酮和肽 ，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些非常經(jīng)典的有機(jī)反應(yīng) - suzuki偶聯(lián)，點(diǎn)擊化學(xué)， 但是在聚合物之外的反應(yīng)擠???條件下的實(shí)例仍然難以捉摸。生物技術(shù)公司Amgen報(bào)道了優(yōu)化的共晶合成，可用于治療慢性疼痛，這也是機(jī)械化學(xué)合成的第一個(gè)例子，可擴(kuò)大到數(shù)百克。此外，英國(guó)的科學(xué)家們已經(jīng)使用反應(yīng)性擠出來有效地制備深低共熔溶劑， 一類可能成為新一代綠色，非易燃溶劑的離子液體。前面的兩個(gè)例子都涉及分子內(nèi)相互作用的形成，但不是新共價(jià)鍵的產(chǎn)生。然而，化學(xué)家們最近報(bào)道了金屬有機(jī)骨架（MOFs）的形成和螺桿擠出的離散金屬配合物，為更清潔，更可持續(xù)的無溶劑化學(xué)開辟了新的可能性。

6、用于集水的MOF和多孔材料

據(jù)聯(lián)合國(guó)（UN）稱，水資源短缺影響了全球40％以上的人口，并且預(yù)計(jì)會(huì)增加。化學(xué)可以為這個(gè)問題帶來解決方案，特別是金屬有機(jī)框架（MOF）。像MOF這樣的多孔材料具有海綿狀化學(xué)結(jié)構(gòu)，具有微觀空間，可以選擇性地捕獲分子，從氣體 - 氫氣，甲烷，二氧化碳，水 - 到更復(fù)雜的物質(zhì)，如藥物和酶。雖然一些研究人員專注于MOF在藥物輸送和氣體凈化中的應(yīng)用，但Omar Yaghi偶然發(fā)現(xiàn)了它們從大氣中捕獲水的巨大潛力。“當(dāng)我們研究將燃燒后氣體吸收到MOF中時(shí)，我們注意到一些MOF與水分子發(fā)生了獨(dú)特的相互作用，”Yaghi解釋道。然后，他們想知道是否有相同的材料“可以”用于在干旱氣候中從大氣中捕獲水分，然后很容易被釋放用于收集。“這種技術(shù)是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗梢詮母稍锏纳衬諝庵蝎@取可飲用量的純凈水，除了自然陽(yáng)光之外不需要能量，”Yaghi說。最近報(bào)道的模擬仙人掌刺結(jié)構(gòu)的仿生多孔表面只需一公斤的MOF就能在濕度低至20％的情況下每天收獲2.8升水。

利用MOF從沙漠空氣中獲取大量飲用水

7、選擇性酶的定向進(jìn)化

酶的定向進(jìn)化獲得了2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。通過定向進(jìn)化產(chǎn)生的酶用于制造從生物燃料到藥物的所有物質(zhì)。“定向進(jìn)化需要對(duì)數(shù)萬種變體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，[最終]提供高活性酶，”SílviaOsuna解釋說，他通過先進(jìn)的計(jì)算方法研究酶。她認(rèn)為，與實(shí)驗(yàn)中人工進(jìn)化的天然酶和酶相比，通過合理設(shè)計(jì)產(chǎn)生的最活躍的酶“仍然表現(xiàn)得相當(dāng)差。”根據(jù)Osuna的說法，關(guān)于定向進(jìn)化的最有趣的事實(shí)是“突變[是]遠(yuǎn)離酶活性位點(diǎn)對(duì)酶催化活性產(chǎn)生巨大影響。“

只有通過分析人工進(jìn)化的酶，我們才能學(xué)會(huì)這一點(diǎn)。她通過計(jì)算研究酶的領(lǐng)域可能是識(shí)別類似趨勢(shì)的關(guān)鍵，從而更好地理解定向進(jìn)化。“計(jì)算是眾多工具之一，加上蛋白質(zhì)工程的進(jìn)步，基因合成，序列分析和生物信息學(xué)，這將有助于我們化學(xué)家制作更集中的[酶]庫(kù)，”她總結(jié)道。

定向進(jìn)化的局限性尚待發(fā)現(xiàn)。在她最近的論文中，阿諾德使用定向進(jìn)化“破解”植物酶細(xì)胞色素P450。現(xiàn)在，它們可以很容易地將碳 - 氫鍵轉(zhuǎn)化為更復(fù)雜的不對(duì)稱碳 - 碳鍵。

8、從塑料到單體

“循環(huán)經(jīng)濟(jì)無疑是目標(biāo)，”Tanja Junkers說。化學(xué)家應(yīng)該再次受到大自然的啟發(fā)。在那里，“一切都被重復(fù)使用，我們應(yīng)該對(duì)我們的合成材料做同樣的事情。”這種策略將一舉兩得，“它將解決長(zhǎng)期可回收性的問題，并且[需要]找到合適的主要[聚合物]構(gòu)件的來源。“

一些聚合物，如聚乳酸（PLA），只需使用熱量就可以很容易地再循環(huán)到它們的單體中。其他如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）可以類似地分解成它們最基本的單元。首先，用乙二醇處理聚合物，乙二醇將長(zhǎng)聚合物鏈斷裂成低聚物。這些較小的碎片在較低溫度下熔化，因此可以過濾以除去任何雜質(zhì)。然后，一旦材料被凈化，它就完全分解成單體，然后通過蒸餾再次純化。

除了經(jīng)典化學(xué)之外，就像阿諾德先前提到的酶促轉(zhuǎn)化方法一樣，一些細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化，這樣它們也可以將PET分解成碎片。有時(shí)塑料是碳的唯一來源，如果你想生存，你需要適應(yīng)。至少有一種Nocardia具有可破壞PET中酯鍵的酯酶，最近，日本研究人員發(fā)現(xiàn)了Ideonella sakaiensis，這種細(xì)菌可以在六周內(nèi)分解PET塑料薄膜，這歸功于兩種不同的酶。然而，回收是昂貴的，“塑料世界的利潤(rùn)率很低，每一分錢都很重要，”容克斯說。化學(xué)家們正在尋找更便宜的循環(huán)經(jīng)濟(jì)選擇。此外，隨著石油變得不那么豐富，塑料的價(jià)格會(huì)慢慢上漲。但是，除此之外，我們必須提高認(rèn)識(shí)，清潔塑料可能更昂貴，但值得。“社會(huì)必須愿意為更可持續(xù)的選擇支付更高的價(jià)格，”容克斯總結(jié)道。

9、自由基聚合的可逆失活

“自由基聚合反應(yīng)失活（RDRP）是二十多年前發(fā)明的，它徹底改變了聚合物世界，”Junkers解釋道。“這些方法都依賴于對(duì)其他幾乎無法控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)施控制的機(jī)制，使我們能夠設(shè)計(jì)出與自然界正在接近的精確度的聚合物，”她說。RDRP聚合物已在各種領(lǐng)域中得到應(yīng)用：建筑，印刷，能源，汽車，航空航天和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備只是其中的一些例子。“大多數(shù)時(shí)候，我們使用這些聚合物卻沒有意識(shí)到這一點(diǎn)，”容克斯說。RDRP已成為工業(yè)化學(xué)家非常強(qiáng)大和有用的工具。

但仍有很大的發(fā)展空間，特別是尋找更環(huán)保的聚合解決方案。現(xiàn)在有許多方法只使用光來控制RDRP過程，即使不需要使用金屬。近年來，化學(xué)家們還開發(fā)了RDRP方法，這些方法可用于流動(dòng)系統(tǒng)，這將使它們朝著更加綠色的聚合物和塑料合成方向發(fā)展。

最后，化學(xué)家們還掌握了在水性介質(zhì)中起作用的聚合過程，避免使用揮發(fā)性或有害溶劑。最近的進(jìn)展使他們能夠在幾分鐘內(nèi)在水中獲得超高分子量聚合物，同時(shí)保持對(duì)聚合物支化的精細(xì)控制。這些過程中的一些可以使用非常低能量的光源，在某些情況下甚至只是陽(yáng)光。盡管是一種成熟的技術(shù)，我們可以肯定RDRP方法將繼續(xù)創(chuàng)新，產(chǎn)生更廣泛的商業(yè)成功。

10、三維生物打印

生物打印是當(dāng)今最有前途的技術(shù)之一。使用由活細(xì)胞以及生物材料和生長(zhǎng)因子制成的3D打印機(jī)和墨水，化學(xué)家和生物學(xué)家已經(jīng)設(shè)法制造出與其天然版本幾乎無法區(qū)分的人造組織和器官。3D生物打印可以徹底改變?cè)\斷和治療，因?yàn)槿斯そM織和器官可以很容易地用于藥物篩選和毒理學(xué)研究。這項(xiàng)技術(shù)甚至可以為不需要捐贈(zèng)者的理想移植創(chuàng)造組織和器官。目前，科學(xué)家們已經(jīng)可以對(duì)管狀組織（心臟，尿道，血管），粘性器官（胰腺）和固體系統(tǒng)（骨骼）進(jìn)行3D打印。最近，劍橋研究人員甚至設(shè)法對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)行三維打印，仔細(xì)沉積不同類型的活細(xì)胞層，以產(chǎn)生一種在結(jié)構(gòu)上類似于原生眼組織的構(gòu)造。

化學(xué)在這個(gè)非常復(fù)雜的過程的所有步驟中起著核心作用。首先，需要“掃描”器官和組織以便具有計(jì)算模型。這是通過使用諸如計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）掃描和磁共振成像（MRI）的成像技術(shù)來完成的，這兩者通常都需要化學(xué)造影劑，例如釓染料。然后，生物打印本身需要無數(shù)的化學(xué)物質(zhì)來穩(wěn)定生物墨水，觸發(fā)細(xì)胞的組裝，或充當(dāng)印刷組織的支架。

最后，3D生物打印的對(duì)象需要隨著時(shí)間的推???保持其結(jié)構(gòu)和形式，這是一個(gè)需要物理和化學(xué)刺激的過程。而且，就像在任何移植或手術(shù)中一樣，身體總是存在拒絕印刷組織的風(fēng)險(xiǎn)。了解細(xì)胞 - 細(xì)胞識(shí)別的化學(xué)反應(yīng)，主要是由以糖脂和糖蛋白形式包裹膜的糖來控制，是減少排斥反應(yīng)的關(guān)鍵。化學(xué)作為高度復(fù)雜的3D生物打印背后的所有交叉學(xué)科的中心，將是這種邊緣技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，據(jù)一些專家說，甚至可以建立比現(xiàn)有生物學(xué)更好的新器官。

憑借“化學(xué)十大新興技術(shù)”計(jì)劃，IUPAC不僅慶祝其過去100年，而且還展望了化學(xué)的未來。這些進(jìn)步中的每一項(xiàng)都具有確保我們社會(huì)福祉和地球可持續(xù)性的巨大潛力。因此，IUPAC將繼續(xù)在化學(xué)國(guó)際的未來版本中展示這些新興的化學(xué)，材料和工程技術(shù)。我們的目標(biāo)是促進(jìn)和突出化學(xué)在日常生活中無處不在的貢獻(xiàn)，并激勵(lì)新一代年輕科學(xué)家無畏地接受我們所面臨的挑戰(zhàn)，使他們能夠通過研究，創(chuàng)業(yè)和創(chuàng)造力找到解決方案。

化學(xué)創(chuàng)新將推動(dòng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的變革，并最終實(shí)現(xiàn)IUPAC的使命 - 應(yīng)用和傳播化學(xué)知識(shí)，為人類和世界帶來最大利益。

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