2018年度化学领域重要成果回顾
日前，化学化工界重要媒体，美国化学会主办的《化学化工新闻》依照惯例，总结了刚刚过去的一年中化学领域所取得的重要成果。笔者特将其中主要内容编译整理如下，以飨读者。
机器学习在化学领域的进一步应用
人工智能逐渐渗透到我们生活的方方面面，这已是不争的事实，而人工智能在化学领域的应用也是化学家们关注的焦点。在2018年，多项研究展现了人工智能的一个分支——机器学习在化学研究中的潜力。例如麻省理工学院Heather J. Kulik教授带领的研究小组利用机器学习鉴别出可以用于传感器等光电器件的无机化合物[1]。美国SLAC国家加速器实验室的研究人员利用机器学习寻找新型合金[2]。化学企业Symrise则与信息技术领域的巨头IBM合作，利用机器学习寻找新的芳香化合物[3]。
在刚刚过去的一年，化学工作者们不仅利用机器学习寻找有价值的新物质，也利用这一技术来改进现有的理论化学工具。例如加州理工学院Thomas F. Miller教授及合作者在2018年发表的研究表明，机器学习能够更好地预测分子的电学性质[4]。佛罗里达大学Adrian E. Roitberg教授带领的研究团队则展示了如何利用机器学习更好地计算分子间的作用力和能量[5]。
受益于机器学习的不仅是理论化学工作者，也包括实验化学家。例如普林斯顿大学Abigail G. Doyle教授与默克公司的研究人员合作，利用机器学习对一种氨基化反应的条件进行了优化[6]。任职于韩国蔚山科学技术大学和波兰科学院的Bartosz Grzybowski则开发出一款名为Chematic的软件，可以自动设计化学合成的方案。测试表明，对于同样的目标产物，这款软件计算的合成路线并不比已有的方案差。例如对于某种药物分子的合成，现有方案通过7步反应达到24%的总产率，而软件提供的路线通过4步合成达到22%的产率[7]。加拿大多伦多大学的Alán Aspuru-Guzik教授则开发出一款名为ChemOS的软件，利用机器学习来完全独立自动地运行化学实验[8]。
众多的突破让化学家们对机器学习的潜力充满期待，不过也有一些研究人员对《化学化工新闻》表示，目前化学界对于人工智能的热情有些过高，适当降降温也不是坏事[9]。
相关论文和报道：
[1] Jon Paul Janet et al. The Journal ofPhysical Chemistry Letters, 2018, 9, 1064-1071
[2] Fang Ren et al. Science Advances, 2018,4, eaaq1566
[3] https://cen.acs.org/analytical-chemistry/big-data/Symrise-IBM-use-AI-fragrance/96/i45
[4] Matthew Welborn et al. Journal ofChemical Theory and Computation, 2018, 14, 4772-4779
[5] https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/Machine-learning-offer-chemists-fast/96/i34
[6] Derek T. Ahneman et al. Science, 2018,360, 186-190
[7] TomaszKlucznik et al. Chem, 2018, 4,522-532
[8] https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/New-software-run-lab-future/96/i13
[9] https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/machine-learning-overhyped/96/i34
寻求塑料污染问题的解决方案
废弃塑料引发的白色污染一直是困扰人类的大问题。在2018年，这一问题继续成为监管部门、科研人员和商业机构关注的热点。新年伊始，中国政府宣布限制塑料垃圾的进口，这迫使习惯于将废旧塑料送到中国处理的欧美国家不得不采取一系列新的举措应对塑料引发的环境问题。例如在2018年，欧盟做出承诺，到2030年，欧洲国家塑料包装材料的回收利用率将从现在的30%提高到55%[10]. 欧盟还准备禁用10种一次性塑料制品[11]。
塑料回收中的一个老大难是聚苯乙烯的回收。聚苯乙烯经常用作餐具或者包装材料。由于其轻质且容易沾染食物残渣等特点，聚苯乙烯很难通过常规的机械回收进行再利用。在2018年，多家企业联手，通过裂解、溶剂溶解等新型手段来对聚苯乙烯进行回收，希望能够提高这一重要塑料的回收率[12]。
在2018年，学术界对于解决白色污染也做出了不少贡献。来自加州大学尔湾分校的华人科学家关志斌（音）开发出一种新型热固性塑料。传统的热固性塑料只能一次性使用，不能被反复加工，因此造成严重的资源浪费，而这种新型热固性塑料由于特殊的化学结构，在高温下可以再次成型，无疑有助于破解热固性塑料回收的难题[13]。
来自美国科罗拉多州立大学的华人科学家陈有贤（音）则致力于解决热塑性塑料回收中存在的问题。与热固性塑料不同，热塑性塑料理论上可以被无限次地再加工，因此可以实现资源的循环使用。但实际上在回收过程中，热塑性塑料会逐渐发生降解，导致机械性能下降。针对这一问题，陈教授带领的研究小组开发出一种新型塑料，它的性能与常见的热塑性塑料相仿，但独特之处在于在特定的条件下可以完全分解为对应的单体，这些单体随后可以重新聚合得到塑料[14]。这样一来，塑料的机械性能就可以在反复回收中保持稳定。
科罗拉多大学陈有贤教授开发的新型塑料能够在适当的条件下完全降解为单体，从而避免了现有塑料回收中的一些问题
相关论文和报道：
[10]https://cen.acs.org/articles/96/i12/-fantastic-plastic-Europe-ready.html
[11] https://cen.acs.org/environment/pollution/Europe-ban-single-use-plastics/96/i23
[12] https://cen.acs.org/business/start-ups/New-ventures-try-again-recycle/96/i20
[13] William A. Ogden and Zhibin Guan,Journal of The American Chemical Society, 2018, 140, 6217-6220
[14] Jian-Bo Zhu et al. Science, 2018, 360,398-403
揭开固体催化剂的秘密
固体催化剂在化工生产中扮演着不可替代的角色，然而这些催化剂究竟是如何起作用的，我们很多时候仍然不清楚。如果能够更好地了解固体催化剂的作用机制，我们就有可能开发出更加高效的催化剂，从而为节约资源和保护环境做出贡献。而在刚刚过去的一年中，不少研究人员正是循着这个思路取得了可喜的成绩。
2018年与催化有关的一项重要研究来自过氧化氢的生产。作为重要的氧化剂、漂白剂和消毒剂，过氧化氢每年的产量高达近500万吨。目前使用的过氧化氢的生产工艺步骤多且能耗大。人们一直希望能够直接通过氢气和氧气的反应来得到过氧化氢，但二者直接反应的产生却是水。
德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用X射线吸收光谱来观察铂的纳米颗粒如何催化氢气与氧气的反应。他们发现，当氢气与氧气的比例在0.5-2.0之间时，氢气会将金属铂转化为氢化铂的α形态，后者能够催化过氧化氢的生成。但如果氢气与氧气的比例进一步增加，铂会与氢气形成β形态的氢化铂，最终反应产物为水[15]。根据这一发现，他们大大提高了将氢气与氧气直接转化为过氧化氢的产率。
铂纳米颗粒（左）和两种不同形式的氢化铂（中、右）
另一种重要的化工原料醋酸也成为催化领域研究人员的关注对象。全球醋酸年产量约1400万吨，目前的生产工艺需要使用高达1000℃的高温。
美国堪萨斯大学的华人学者陶峰（音）带领的团队将金属铑的离子填充到沸石这种多孔材料的微观孔洞中，由此得到的催化剂仅仅需要150℃的温度，就可以将甲烷、一氧化碳和氧气转化为醋酸。
这种催化剂如果能够得到推广，无疑可以节约大量的能源[16]。这一团队随后还发现，基于铑的催化剂能够在室温条件下将甲烷和过氧化氢转化为醋酸，从而为这一重要化工产品的生产提供了另一条思路。
相关论文和报道：
[15] Manuel Selinsek et al. ACS Catalysis,2018, 8, 2546-2557
[16]Yu Tang et al. Nature Communications,2018, 9, 1231
新研究为失聪患者带来希望
2018年也见证了听力恢复领域的新进展。在2017年年末，来自哈佛大学的研究人员利用目前风头正劲的基因编辑技术CRISPR-Cas9成功地在小鼠中防止了由于基因突变导致的听力受损[17]，从而为这一领域的研究注入活力。在2018年，另一组来自哈佛大学的研究人员确认，此前研究中被编辑的基因，其编码的蛋白质TMC1在感受听觉的过程中起到关键作用，能够将声波转化为电信号。在这项研究中，化学起到了重要的作用。研究人员尝试对TMC1进行化学修饰，结果发现这种蛋白质的化学结构改变后，脊椎动物耳中一种名为毛细胞的细胞将机械振动转化为电信号的过程会受阻，从而确认了TMC1在产生听觉这一过程中的作用[18]。业内人士表示，这一进展对于全世界4亿听力受损的患者无遗是大好消息。
同样是在2018年，来自美国圣祖德儿童研究医院的研究人员发现，一些小分子化合物能够治疗小鼠的听力损伤[19]。虽然这一研究主要是关注于治疗抗癌药顺铂引起的听力受损，但业内人士指出，这些化合物或许也可以用于治疗由于其它原因丧失听觉的患者。
来自美国圣祖德儿童研究医院的研究人员发现，一种代号为AZD5438的化合物能够保护小鼠不受抗癌药顺铂导致的听力损伤
相关论文和报道：
[17] Xue Gao et al. Nature, 2018, 553, 217-221
[18] Bifeng Pan et al. Neuron, 2018, 99,736-753
[19] Tal Teitz et al. Journal ofExperimental Medicine, 2018, 215, 1187-1203
廉价太阳能电池的性能创下新纪录
为了利用廉价的材料高效地将太阳能转化为电能，无数研究人员一直孜孜以求。在刚刚过去的一年，这一领域可谓捷报频传。其中主要的突破来自于近年来颇为热门的钙钛矿型太阳能电池。这一类太阳能电池所依赖的有机金属卤化物具有ABX3化学通式，晶体结构与钙钛矿（CaTiO3）相同，这也就是其名称的来由。在2018年6月，由英国牛津大学研究人员参与创办的企业“牛津光伏”(Oxford PV)宣布，他们将钙钛矿型太阳能电池与传统的晶体硅太阳能电池串联后得到的太阳能电池，其效率经独立的第三方机构认证，高达25.2%[20]。这一记录超过了这两种太阳能电池分别达到的最高效率。这种太阳能电池底部是传统的晶体硅太阳能电池，在其上方是新型的钙钛矿型太阳能电池。两种太阳能电池的结合使得整个装置能够吸收利用范围更宽的太阳光。仅仅数周后，牛津光伏就打破了自己创造的记录，用同样类型的串联太阳能电池达到27.3%的效率[21]。
由晶体硅太阳能电池和钙钛矿型太阳能电池串联组成的太阳能电池
同样在2018年，我国研究人员成功在串联有机太阳能电池中实现了17.3%的转化效率。此前有机太阳能电池的转化效率只能达到14%，来自我国南开大学和国家纳米科学中心的研究人员通过理论计算，找到了更为合适的材料，并将其合成出来，从而书写了有机太阳能电池转化效率的新纪录。相关论文发表在顶级学术刊物《科学》上[22]。
来自我国的研究人员利用这两种新型有机化合物，成功提高了有机太阳能电池的转化效率
美国圣母大学的太阳能电池研究者Prashant V. Kamat表示，2018年太阳能电池领域取得的成就着实令人振奋，但他也同时指出，无论是钙钛矿型太阳能电池，还是有机太阳能电池，稳定性仍然是有待解决的问题。如果这两类太阳能电池的长期稳定性能够得到改善，必将带来更多的商业应用。
相关论文和报道：
[20] https://cen.acs.org/energy/solar-power/Perovskite-progress-pushes-tandem-solar/96/i24#
[21] https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-world-record-perovskite-solar-cell
[22] Lingxian Meng et al. Science, 2018,361, 1094-1098
全球气候变暖：再不采取行动就真的来不及了
2018年10月，政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布报告称，为了达到巴黎协议确定的将气温上升控制在工业化前水平以上1.5oC以内的目标，各国必须采取行动。到2030年，二氧化碳净排放水平必须相比2010年下降45%；到2050年，二氧化碳的净排放量必须降为零[23]。这意味着我们不仅需要采取措施减少二氧化碳排放，还必须大力发展碳捕集与封存技术，将二氧化碳从大气中移除出去。同年11月，美国全球气候变化研究项目(US Global Change Research Program) 发布了《第四次国家气候评估》的第二卷，其中预测了气候变化给美国带来的灾难性后果，包括10%的经济损失[24]。
在过去的一年中，多项研究还表明，不断升高的大气中二氧化碳浓度除了会导致地表温度上升，还可能会带来更加复杂的影响。例如来自美国南加州大学的一项研究表明，气候变暖会促进海洋中细菌的固氮能力，这会使得目前海洋中一些由于缺乏氮元素而贫瘠的区域变得更有生机，但对生态系统总的影响则不清楚[25]。在此前的研究中，人们已经知道大气中二氧化碳浓度的增加会导致农作物中营养含量的下降。来自哈佛大学的研究人员据此进行了预测，结果表明，如果保持现有碳排放的增长趋势，到2050年，全球会有更多的人口遭受营养不良[26]。
来自哈佛大学的研究人员预测了气候变化导致的营养不良的风险的增加
另外值得一提的是，2018年的诺贝尔经济学奖颁发给了美国耶鲁大学的威廉·诺德豪斯和纽约大学的保罗·罗默，其中诺德豪斯的获奖理由是“将气候变化整合到长期的宏观经济分析中”，这也体现了气候变暖问题所受到的关注。
相关论文和报道：
[23] https://www.ipcc.ch/sr15/
[24] https://nca2018.globalchange.gov/
[25] Hai-Bo Jiang et al. Nature ClimateChange, 2018, 8, 709-712
[26] Matthew R. Smith and Samuel S. Myers,Nature Climate Change, 2018, 8 , 834-839
科学家发掘微生物与人类健康之间的更多联系
在过去的一年，科学家们进一步发掘生活在我们体表和体内的不计其数的微生物与我们健康之间的复杂关系。下面列出的是几项有代表性的工作：
人们一直认为，在人体体内和皮肤表面生存的微生物对人体即便不是有益，也至少是无害的，然而来自英国谢菲尔德大学的一项研究却改变了这一看法。研究人员在小鼠中进行的实验表明，皮肤表面一种名为藤黄微球菌的细菌能够促进金黃色葡萄球菌产生感染，甚至已经死去的藤黄微球菌同样能够带来这种促进作用[27]。
另外一些研究则关注抗生素对于体内微生物的干扰。来自丹麦的研究人员发现，即便是短期的抗生素使用，肠道内某些细菌仍然需要长达六个月的时间才能恢复正常水平[28]。来自英国的研究人员则发现，服用抗生素对于肠道内微生物的干扰会扰乱巨噬细胞这种免疫细胞的正常功能，从而可能导致炎症的发生[29]。
不仅服用抗生素会影响我们体内的微生物，迁居到别的国家也可能会造成类似的影响。来自美国的一项研究表明，那些从东南亚移民到美国的人，肠道内微生物的多样性会下降，这可能会导致肥胖等健康问题[30]。看来新移民要面对的不仅有工作、生活上的诸多挑战，还有健康上的隐患。
相关论文和报道：
[27] Emma Boldock et al. NatureMicrobiology, 2018, 3, 881-890
[28] Albert Palleja et al. NatureMicrobiology, 2018, 3, 1255-1265
[29] Nicholas A. Scott et al. ScienceTranslational Medicine, 2018, 10, eaao4755
[30] Panjau Vangay et al. Cell, 2018, 175,962-972
测定晶体结构的新方法
测定一种物质的晶体结构是了解这种物质性质必不可少的环节。长期以来，X射线晶体衍射一直是测定晶体结构的“金标准”，但要想用X射线测定晶体结构，我们首先必须得到尺寸足够大的晶体，而这对于许多物质来说绝非易事。由于电子与晶体中原子的作用更强，因此通过电子衍射，理论上我们可以用更小的晶体来测定结构。事实上，利用电子显微镜来探测生物大分子结构的技术在近年来发展非常迅速，就在2017年，三位科学家正是因为在这一领域的贡献获得了当年的诺贝尔化学奖，但似乎并没有人想到用类似的技术来测定小分子的晶体结构。
在2018年，这一被忽视很久的空白终于得到了填补。来自瑞士保罗谢尔研究所的一个研究小组，以及来自美国加州大学洛杉矶分校和加州理工学院的研究人员，分别独立地报道了利用电子衍射来测定小分子化合物的晶体结构[31, 32]。与X射线衍射相比，电子衍射所需的晶体尺寸更小——X射线晶体衍射通常要求晶体尺寸至少达到5微米，而对于电子衍射来说，晶体尺寸只需100纳米就够了。因此，通过电子衍射，研究人员可以更好地鉴别那些不易形成较大晶体的物质。虽然与X射线晶体衍射相比，利用电子衍射测定晶体结构还存在一些局限和待解决的问题，但业内人士对于这一新技术的前景都充满信心，相信它将会为小分子化合物的结构分析书写新篇章。
电子衍射使得我们可以从尺寸极小的晶体中鉴定出物质的结构。图中圆孔的直径约为2微米
相关论文和报道：
[31] Tim Gruene et al. Angewandte ChemieInternational Edition, 2018, 57, 16313-16317
[32] Christopher G. Jones et al. ACSCentral Science, 2018, 4, 1587-1592
破解电子烟风行的原因
根据美国政府统计，近年来，电子烟在青少年中愈发流行，其中一家名为Juul的公司生产的电子烟尤为受欢迎。调查表明，Juul品牌的电子烟之所以受欢迎，主要归功于产品独特的设计以及香烟口味，不过美国波特兰州立大学的研究人员发现，化学也是一个重要的原因。
研究人员利用核磁共振分析了不同电子烟产品其液体中游离碱形式的尼古丁和质子化形式的尼古丁的比例，结果发现Juul品牌的电子烟中游离碱形式的尼古丁含量最低，而这种形式的尼古丁吸入后会对喉咙造成刺激。这应该是Juul牌电子烟更受青睐的原因[33]。
目前许多电子烟还被用来供使用者吸入大麻二酚(CBD)。大麻二酚是医用大麻中重要的成分，目前在美国大多数州都被允许治疗失眠、疼痛等症状。美国弗吉尼亚联邦大学的研究人员Justin L. Poklis接到报料称，某些电子烟中的大麻二酚不纯。通过使用质谱手段，他和同事在一些含有大麻二酚的电子烟中发现了一种名为5F-ADB的合成大麻素。据报道，这种物质能够影响人的精神状态。这一研究小组还在某些电子烟产品的大麻二酚中发现了常被滥用的止咳药物右美沙芬[34]。业内人士表示，如果这些物质是生产厂家有意添加进去的，那将会是一个危险的信号。
相关论文和报道：
[33] Anna K. Duell et al. Chemical Researchin Toxicology, 2018, 31, 431
[34] Justin L. Poklis et al. ForensicScience International. 2018, DOI: 10.1016/j.forsciint.2018.10.019
原文：http://cen.acs.org/analytical-chemistry/CENs-Year-Chemistry-2018/96/i49
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