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2021WLA科学家科研成果回顾 · 化学篇原创2022-01-11 15:08·世界顶尖科学家论坛刚刚过去的2021年，世界顶尖科学家协会（WLA）的科学家们，做出了哪些新成果、新发现？协会智库部门整理了顶科协科学家2021年度科研成果。在今天推送的化学篇，余金权、菲尔·巴兰等人在合成领域都有了新的进展。新的一年，祝大家“合”家欢乐，心想事“成”。01碳氢键（C-H）活化——化学合成领域“圣杯”2016年麦克阿瑟天才奖获得者余金权（Jin-Quan Yu）教授课题组在过去的数十年里开发了催化C-H键活化的钯配合物。在2021年，余教授课题组在碳氢键活化领域接连取得突破性进展。互变异构配体+氧气实现羧基导向的C-H键羟基化合成路径示意图 图 | Science苯酚类化合物是天然产物、药物分子的重要结构单元，如何高效地合成苯酚类化合物受到化学家们的广泛关注。余教授课题组研究设计一种双功能互变异构的配体骨架（即在吡啶酮和吡啶配位模式之间切换），这样就有可能利用一种配体基元（吡啶酮）来促进C-H键活化，另一种（吡啶）促进O2活化。该带有双齿吡啶/吡啶酮配体的钯配合物可在氧气为氧化剂的条件下，实现羧酸的邻位C-H键羟基化反应。该方法不仅可用于药物分子的后期位点选择性C-H键羟基化，而且在药物研发中具有重要的应用价值。Reference: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg2362配体控制羧酸导向C-H键活化的脱氢反应脂肪酸脱氢不仅是体内酶催化重要的转化反应，而且还是大宗化工和精细化工合成中的一个重要过程。开发一种基于亚甲基C-H键活化的高效脱氢方法十分必要。然而，非导向基团底物的C-H键活化脱氢反应存在巨大的挑战。余金权教授课题组报道了一种吡啶-吡啶酮配体控制Pd(II) 催化的脱氢反应策略，实现了亚甲基或甲基C-H键的活化，从而将多种脂肪族羧酸直接转化为α,β-不饱和酸或 γ-烷基丁烯内酯。这种简单高效地反应将成为制造复杂分子的通用工具。合成路径示意图 图 | ScienceReference: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl393902一种寡核苷酸合成的P (V)平台合成路径示意图 图 | Science2013年麦克阿瑟天才奖得主菲尔·巴兰（Phil Baran）最新报道了一种灵活有效的基于[P（V）]的平台，可以随意将多种磷酸盐键组装到寡核苷酸中。该方法使用易于获得的试剂，不仅可以将立体定义的或外消旋的硫代磷酸盐，而且可以将（S、R或rac）–PS与天然磷酸二酯（PO2）和二硫代磷酸酯（PS2）键的任何组合组装到DNA和其他改性核苷酸聚合物中。该平台使用可持续制备的、稳定的P（V）试剂。由于寡核苷酸独特的基因表达调控优势，该技术预计将加速寡核苷酸药物的研发、生产和商业化发展。Reference: https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abi972703机械吸附——开创全新的吸附模式吸附在催化、能源存储中发挥着重要作用。传统的吸附有两种，通过范德华相互作用（物理吸附）和/或电子相互作用（化学吸附）与表面相互作用。吸附通常被认为是一种被动过程，吸附物从高浓度区域移动到低浓度区域，因此表面吸附物浓度总是向朝着平衡的方向发生变化。2016年诺贝尔化学奖得主弗雷泽?斯托达特（Fraser Stoddart）教授团队首次报告了不同于传统平衡吸附新模式——机械吸附。这是一种由于非平衡泵送在吸附剂和被吸附物之间形成机械键而引起的吸附现象。这种现象与分子通过使用泵盒主动运输到表面间隔有关，并使它们保持在高度非平衡的介稳态，然后根据需要通过非破坏性化学过程释放到主体中，该过程仅涉及非共价键的断裂。与物理吸附或化学吸附不同，当使用能量时，传统的吸附物从高浓度区域到低浓度区域的被动运动被逆转，从而产生主动吸附，并实现可重复的机械吸附。相关论文发表在Science上。斯托达特教授在第四届世界顶尖科学家论坛上也介绍了此项新发表成果，他表示，如果未来化学家能够弄清楚如何将机械吸附结合到活性结构中，那么氢气、二氧化碳和甲烷等气体的储存将会进入一个全新的世界。三种吸附模式比较 图 | ScienceReference: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk139104分子尺度的双缝干涉！量子力学在分子散射中的作用尚未得到充分研究，即使是在简单的三原子体系中。2005年沃尔夫化学奖获得者理查德?扎尔（Richard N. Zare）课题组展示了空间控制的氘分子(D2)和氦原子(He)之间低能非弹性双分子碰撞的观察结果。该团队通过将氘分子双轴状态下相互纠缠的键轴方向作为双缝实验中的两个狭缝，让氦原子与之产生转动非弹性碰撞，最终成功让氦原子在两条不可区分的路径间引发了量子干涉效应。该技术可用于研究化学反应立体动力学，即化学键的排列或方向如何影响分子碰撞和化学反应，并可能为化学反应的量子控制带来其他机会。Reference：DOI: 10.1126/science.abl4143编译整理 青松&文婷责编 羽华排版 杨周职业交易的理论基础与体系