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                2019年是化學領域非常特殊的一年。2019年有兩個重要的紀念日:國際純粹與應用化學聯盟(IUPAC)成立100周年,以及迪米特里。門捷列夫發表元素周期表150周年。IUPAC是一個全球性的組織,在眾多的組織中,她為化學研究、教育和貿易建立了一種共同的語言。在成立100周年紀念日上,IUPAC首次公布了化學領域十大新興技術名單:納米農藥、對映選擇性有機催化、固態電池、流動化學、反應擠出、用于集水的MOFs和多孔材料、選擇性酶的定向進化、從塑料到單體、自由基聚合反應的可逆失活和3D生物打印。

                  納米農藥 隨著世界人口不斷增長,一些預測表明:到2050年,我們將有將近100億人口。為了保護作物可持續發展,需要大量增加農業產量,最大限度地減少土地利用對環境的影響,減少所需的水量,并減少人口數量及農藥化肥污染。目前,納米技術正在吸引來自制藥和健康行業以外的關注。量身定制的納米輸送系統也可以成為農民的一個很好的工具,因為它將最終解決傳統農藥的主要問題,如環境污染、生物累積和抗蟲害等。

                  盡管在大多數情況下,療效的提高非常有限。然而,在某些情況下,研究人員觀察到在實驗室條件下療效提高了一個數量級。我們仍然需要在田間條件下對納米殺蟲劑的功效進行適當的評估。

                  對映選擇性有機催化 化學家一直受到大自然的啟發,幾年前,研究人員夢想有一種新型催化劑,與大多數天然酶一樣,且不需要使用昂貴的金屬。有機催化誕生于20世紀90年代后期,從那以后它一直不斷發展。根據該領域的領先專家之一Paolo Melchiorre的說法,有機催化是成功的,因為它非常民主,每個人都可以在不需要昂貴的試劑或手套箱的情況下使用它,這使得許多年輕的研究人員能夠開始他們獨立的研究生涯,并迅速組建了一個國際專家社區,成為沒有金屬的催化思想的偉大孵化器。

                  最初,一些化學家批評有機催化不像它聲稱的那樣綠色。它需要高催化劑負荷,且反應后很難回收催化劑,這似乎違背了催化的定義。然而,Melchiorre指出了研究人員應如何克服這些問題,并表示有機催化的最初焦點是“開發新方法而不是降低催化劑負荷”。然而,由于化學家了解降低催化劑用量可能產生的工業影響,他們只使用百萬分之幾的有機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。”他補充道。

                  固態電池 對于許多其他應用,聚合物可能是最好和最經濟的解決方案。法國運輸公司Bolloré已經在制造和商業化基于聚合物的固態電池,它們主要用于網絡連接傳感器。

                  根據聚合物專家Tanja Junkers的說法,“電荷輸送聚合物確實令人著迷 ,但仍有許多研究要做,特別是由于固態電池組件如此緊密地結合在一起,以至于理解每個組件的行為都非常復雜。”

                  學術界和工業研究人員正在密切合作,開發出更好的非破壞性操作技術即電子顯微鏡和核磁共振,以了解固態電池的性能。對于大多數用途,該技術仍需要幾年的開發。

                  流動化學 早在2015年,麻省理工學院的化學家就證明了流動化學的潛力,可以創造出經典批次技術難以實現的定制聚合物。據該領域的專家介紹,其流程更快、更簡單、更可靠,這與聯合國可持續發展目標非常一致。

                  最近的實例甚至已經顯示出流動化學可以承受有害試劑(如有機鋰化合物)的潛力。化學家實現了100千克規模的verubecestat前體合成,這是一種治療阿爾茨海默癥的III期候選藥物。最近的其他實例包括環丙沙星(一種必需的抗生素)的流動合成,該系統能夠每天分析多達1500個反應條件,加速了新藥和現有藥物的最佳合成途徑的發現。

                  反應擠出 隨著流動化學的發生,反應性擠出成為一種允許化學反應完全無溶劑化的技術。然而,它產生了許多工程挑戰,因為它需要對現有的工業流程進行全面的重新設計。盡管擠出工藝已被聚合物和材料專家廣泛使用和研究,但現在有其他化學家開始研究它們在制備有機化合物方面的可能性。

                  生物技術公司Amgen研發了優化的共晶合成技術,可用于治療慢性疼痛,這也是機械化學合成的第一個例子,可擴大到數百克。此外,英國的科學家們已經使用反應性擠出進行有效的深低共熔溶劑制備。前面的例子都涉及分子內相互作用,但不是新共價鍵的產生。然而,化學家們最近研發了金屬有機骨架(MOFs)的形成和螺桿擠出的離散金屬合成物,為更清潔,更可持續的無溶劑化學開辟了新的可能性。

                  用于集水的MOF和多孔材料 據聯合國稱,水資源短缺影響了全球40%以上的人口,最重要的是,十分之三的人無法獲得安全管理的飲用水服務。

                  像MOF這樣的多孔材料具有海綿狀化學結構,具有微觀空間,可以選擇性地捕獲分子,從氣體、水,到更復雜的物質,如藥物和酶等。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用,但化學家Omar.Yaghi偶然發現了它們從大氣中捕獲水的巨大潛力。

                  “當我們研究將燃燒后氣體吸收到MOF中時,我們注意到一些MOF與水分子發生了獨特的相互作用。”Yaghi解釋道。于是,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。“這種技術是獨一無二的,因為它可以從干燥的沙漠空氣中獲取可飲用量的純凈水,除了自然陽光之外不需要其他能量。”Yaghi說。

                  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。在開發更高容量,且更便宜的集水材料時,Yaghi在工業規模上測試了他們的MOF水收割機,及其他具有類似能力的多孔材料,如硅基、無機多孔固體及模擬仙人掌刺結構的仿生多孔表面材料。Yaghi認為,他們在從低濕度空氣中吸收水的能力不如MOF.

                  選擇性酶的定向進化 酶的定向進化獲得了2018年諾貝爾化學獎。通過定向進化產生的酶可用于制造從生物燃料到藥物的所有物質。“定向進化需要對數萬種變體進行實驗測試,最終提供高活性酶。”研究人員Sílvia Osuna解釋說,她通過先進的計算方法研究酶。她認為,與實驗中人工進化的天然酶相比,通過合理設計產生的最活躍的酶“仍然表現得相當差。”

                  定向進化的局限性尚待發現。近日,研究人員使用定向進化“破解”植物酶細胞色素P450.現在,它們可以很容易地將碳-氫鍵轉化為更復雜的不對稱碳-碳鍵。

                  從塑料到單體 “循環經濟無疑是目標。”Tanja Junkers說,化學家應該再次受到大自然的啟發,在那里,一切都被重復使用,我們應該對我們的合成材料也做同樣的事情。這種策略將一舉兩得,它將解決長期可回收性的問題,并且找到合適的主要聚合物構件的來源。

                  一些聚合物,如聚乳酸,只需使用熱量就可以很容易地再循環到其他的單體中。其他如聚對苯二甲酸乙二醇酯可以有效分解成它們最基本的單體。首先,用乙二醇處理聚合物,乙二醇將長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。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。

                  自由基聚合的可逆失活 “自由基聚合反應失活(RDRP)是20多年前發明的,它徹底改變了聚合物世界。”Junkers解釋道,這些方法都依賴于對其他幾乎無法控制的鏈式反應實施控制的機制,使我們能夠設計出與自然界接近的高精確度的聚合物。RDRP聚合物已在各種領域中得到應用,如建筑、印刷、能源、汽車、航空航天和生物醫學設備等。

                  研究人員表示RDRP聚合物仍有很大的發展空間,特別是在尋找更環保的聚合解決方案方面。現在有許多方法只使用光來控制RDRP過程,該方法可用于流動系統,這將使它們朝著更加綠色的聚合物和塑料合成方向發展。

                  三維生物打印 生物打印是當今最有趣的技術之一。使用由活細胞以及生物材料和生長因子制成的3D打印機和墨水,化學家和生物學家已經設法制造出與其天然版本幾乎無法區分的人造組織和器官。3D生物打印可以徹底改變診斷和治療方法,因此人工組織和器官可以很容易地用于藥物篩選和毒理學研究。這項技術甚至可以為不需要捐贈者的理想移植創造條件。目前,科學家們已經可以對管狀組織(**、尿道、血管),黏性器官(**)和固體系統(骨骼)進行3D打印。最近,劍橋研究人員甚至設法對視網膜進行三維打印,仔細沉積不同類型的活細胞層,以產生一種在結構上類似于原生眼組織的構造。

                  憑借“化學十大新興技術”計劃,IUPAC不僅慶祝其過去100年,而且還展望了化學的未來。這些進步中的每一項都具有促進社會福祉和地球可持續性的巨大潛力。因此,IUPAC將繼續在化學國際的未來應用中展示這些新興的化學、材料和工程技術。我們的目標是促進和突出化學在日常生活中無處不在的貢獻,并激勵新一代年輕科學家無畏地接受我們所面臨的挑戰,使他們能夠通過研究、創業和創造力找到解決方案。

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