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十大化学创新将改变世界
来源:中化新网 发布时间:2019/11/8 9:43:38

  2019年是化学领域非常特殊的一年。2019年有两个重要的纪念日:国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)成立100周年,以及迪米特里。门捷列夫发表元素周期表150周年。IUPAC是一个全球性的组织,在众多的组织中,她为化学研究、教育和贸易建立了一种共同的语言。在成立100周年纪念日上,IUPAC首次公布了化学领域十大新兴技术名单:纳米农药、对映选择性有机催化、固态电池、流动化学、反应挤出、用于集水的MOFs和多孔材料、选择性酶的定向进化、从塑料到单体、自由基聚合反应的可逆失活和3D生物打印。


  纳米农药 随着世界人口不断增长,一些预测表明:到2050年,我们将有将近100亿人口。为了保护作物可持续发展,需要大量增加农业产量,最大限度地减少土地利用对环境的影响,减少所需的水量,并减少人口数量及农药化肥污染。目前,纳米技术正在吸引来自制药和健康行业以外的关注。量身定制的纳米输送系统也可以成为农民的一个很好的工具,因为它将最终解决传统农药的主要问题,如环境污染、生物累积和抗虫害等。


  尽管在大多数情况下,疗效的提高非常有限。然而,在某些情况下,研究人员观察到在实验室条件下疗效提高了一个数量级。我们仍然需要在田间条件下对纳米杀虫剂的功效进行适当的评估。


  对映选择性有机催化 化学家一直受到大自然的启发,几年前,研究人员梦想有一种新型催化剂,与大多数天然酶一样,且不需要使用昂贵的金属。有机催化诞生于20世纪90年代后期,从那以后它一直不断发展。根据该领域的领先专家之一Paolo Melchiorre的说法,有机催化是成功的,因为它非常民主,每个人都可以在不需要昂贵的试剂或手套箱的情况下使用它,这使得许多年轻的研究人员能够开始他们独立的研究生涯,并迅速组建了一个国际专家社区,成为没有金属的催化思想的伟大孵化器。


  最初,一些化学家批评有机催化不像它声称的那样绿色。它需要高催化剂负荷,且反应后很难回收催化剂,这似乎违背了催化的定义。然而,Melchiorre指出了研究人员应如何克服这些问题,并表示有机催化的最初焦点是“开发新方法而不是降低催化剂负荷”。然而,由于化学家了解降低催化剂用量可能产生的工业影响,他们只使用百万分之几的有机催化剂来制定手性碳—碳键的方法。“这仍然无法与金属相媲美,但成本要低得多。”他补充道。


  固态电池 对于许多其他应用,聚合物可能是最好和最经济的解决方案。法国运输公司Bolloré已经在制造和商业化基于聚合物的固态电池,它们主要用于网络连接传感器。


  根据聚合物专家Tanja Junkers的说法,“电荷输送聚合物确实令人着迷 ,但仍有许多研究要做,特别是由于固态电池组件如此紧密地结合在一起,以至于理解每个组件的行为都非常复杂。”


  学术界和工业研究人员正在密切合作,开发出更好的非破坏性操作技术即电子显微镜和核磁共振,以了解固态电池的性能。对于大多数用途,该技术仍需要几年的开发。


  流动化学 早在2015年,麻省理工学院的化学家就证明了流动化学的潜力,可以创造出经典批次技术难以实现的定制聚合物。据该领域的专家介绍,其流程更快、更简单、更可靠,这与联合国可持续发展目标非常一致。


  最近的实例甚至已经显示出流动化学可以承受有害试剂(如有机锂化合物)的潜力。化学家实现了100千克规模的verubecestat前体合成,这是一种治疗阿尔茨海默症的III期候选药物。最近的其他实例包括环丙沙星(一种必需的抗生素)的流动合成,该系统能够每天分析多达1500个反应条件,加速了新药和现有药物的最佳合成途径的发现。


  反应挤出 随着流动化学的发生,反应性挤出成为一种允许化学反应完全无溶剂化的技术。然而,它产生了许多工程挑战,因为它需要对现有的工业流程进行全面的重新设计。尽管挤出工艺已被聚合物和材料专家广泛使用和研究,但现在有其他化学家开始研究它们在制备有机化合物方面的可能性。


  生物技术公司Amgen研发了优化的共晶合成技术,可用于治疗慢性疼痛,这也是机械化学合成的第一个例子,可扩大到数百克。此外,英国的科学家们已经使用反应性挤出进行有效的深低共熔溶剂制备。前面的例子都涉及分子内相互作用,但不是新共价键的产生。然而,化学家们最近研发了金属有机骨架(MOFs)的形成和螺杆挤出的离散金属合成物,为更清洁,更可持续的无溶剂化学开辟了新的可能性。


  用于集水的MOF和多孔材料 据联合国称,水资源短缺影响了全球40%以上的人口,最重要的是,十分之三的人无法获得安全管理的饮用水服务。


  像MOF这样的多孔材料具有海绵状化学结构,具有微观空间,可以选择性地捕获分子,从气体、水,到更复杂的物质,如药物和酶等。虽然一些研究人员专注于MOF在药物输送和气体净化中的应用,但化学家Omar.Yaghi偶然发现了它们从大气中捕获水的巨大潜力。


  “当我们研究将燃烧后气体吸收到MOF中时,我们注意到一些MOF与水分子发生了独特的相互作用。”Yaghi解释道。于是,他们想知道是否有相同的材料可以用于在干旱气候中从大气中捕获水分,然后很容易被释放用于收集。“这种技术是独一无二的,因为它可以从干燥的沙漠空气中获取可饮用量的纯净水,除了自然阳光之外不需要其他能量。”Yaghi说。


  只需一公斤的MOF就能在湿度低至20%的情况下每天收获2.8升水。在开发更高容量,且更便宜的集水材料时,Yaghi在工业规模上测试了他们的MOF水收割机,及其他具有类似能力的多孔材料,如硅基、无机多孔固体及模拟仙人掌刺结构的仿生多孔表面材料。Yaghi认为,他们在从低湿度空气中吸收水的能力不如MOF.


  选择性酶的定向进化 酶的定向进化获得了2018年诺贝尔化学奖。通过定向进化产生的酶可用于制造从生物燃料到药物的所有物质。“定向进化需要对数万种变体进行实验测试,最终提供高活性酶。”研究人员Sílvia Osuna解释说,她通过先进的计算方法研究酶。她认为,与实验中人工进化的天然酶相比,通过合理设计产生的最活跃的酶“仍然表现得相当差。”


  定向进化的局限性尚待发现。近日,研究人员使用定向进化“破解”植物酶细胞色素P450.现在,它们可以很容易地将碳-氢键转化为更复杂的不对称碳-碳键。


  从塑料到单体 “循环经济无疑是目标。”Tanja Junkers说,化学家应该再次受到大自然的启发,在那里,一切都被重复使用,我们应该对我们的合成材料也做同样的事情。这种策略将一举两得,它将解决长期可回收性的问题,并且找到合适的主要聚合物构件的来源。


  一些聚合物,如聚乳酸,只需使用热量就可以很容易地再循环到其他的单体中。其他如聚对苯二甲酸乙二醇酯可以有效分解成它们最基本的单体。首先,用乙二醇处理聚合物,乙二醇将长聚合物链断裂成低聚物。这些较小的碎片在较低温度下熔化,因此可以过滤以除去任何杂质。然后,一旦材料被净化,它就完全分解成单体,然后通过蒸馏再次纯化。


  自由基聚合的可逆失活 “自由基聚合反应失活(RDRP)是20多年前发明的,它彻底改变了聚合物世界。”Junkers解释道,这些方法都依赖于对其他几乎无法控制的链式反应实施控制的机制,使我们能够设计出与自然界接近的高精确度的聚合物。RDRP聚合物已在各种领域中得到应用,如建筑、印刷、能源、汽车、航空航天和生物医学设备等。


  研究人员表示RDRP聚合物仍有很大的发展空间,特别是在寻找更环保的聚合解决方案方面。现在有许多方法只使用光来控制RDRP过程,该方法可用于流动系统,这将使它们朝着更加绿色的聚合物和塑料合成方向发展。


  三维生物打印 生物打印是当今最有趣的技术之一。使用由活细胞以及生物材料和生长因子制成的3D打印机和墨水,化学家和生物学家已经设法制造出与其天然版本几乎无法区分的人造组织和器官。3D生物打印可以彻底改变诊断和治疗方法,因此人工组织和器官可以很容易地用于药物筛选和毒理学研究。这项技术甚至可以为不需要捐赠者的理想移植创造条件。目前,科学家们已经可以对管状组织(心脏、尿道、血管),黏性器官(胰腺)和固体系统(骨骼)进行3D打印。最近,剑桥研究人员甚至设法对视网膜进行三维打印,仔细沉积不同类型的活细胞层,以产生一种在结构上类似于原生眼组织的构造。


  凭借“化学十大新兴技术”计划,IUPAC不仅庆祝其过去100年,而且还展望了化学的未来。这些进步中的每一项都具有促进社会福祉和地球可持续性的巨大潜力。因此,IUPAC将继续在化学国际的未来应用中展示这些新兴的化学、材料和工程技术。我们的目标是促进和突出化学在日常生活中无处不在的贡献,并激励新一代年轻科学家无畏地接受我们所面临的挑战,使他们能够通过研究、创业和创造力找到解决方案。

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