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IUPAC公布化學領域十大新興技術,流動化學等入選

發布時間:2019-10-05  瀏覽:219


來源:化學科訊

2019年,對化學領域具有特殊意義。這一年,國際純粹與應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,簡稱IUPAC)成立100周年。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。

文章信息

1、納米農藥

隨著世界人口不斷增長,到2050年,全球人口有可能達到100億人。要養活這么多人,世界各國必須在保持作物可持續發展的同時,大幅提高農業產量,盡量減少土地使用對環境的影響、減少用水量、減輕化肥或殺蟲劑等農用化學品的污染。而納米技術的出現契合了這種發展需求,不出所料地吸引了大量制藥和衛生行業的廣泛關注。量身定制的“納米輸送系統”,由于很好解決了傳統農藥諸如環境污染、生物積累、害蟲抗性大幅增加等問題,將成為農民植保作業一個有力工具。當然,關于納米農藥在田間地頭的實際效果還待進一步評估,但這個技術應用前景毋容置疑?,F階段,加拿大有公司已獲得美國環境保護局的批準,將納米殺蟲劑和殺菌劑進行商品化生產。納米農藥技術可能不是新型、可持續發展農業的唯一路徑,但它肯定是一種對環境和人類健康的影響更小、更先進的農藥,有可能將改變世界農業植保防治的發展方向。

2、對映選擇性有機催化

化學家一直在向大自然學習,夢想找到一種催化劑,跟大多數天然酶一樣不需要使用昂貴的金屬。20世紀90年代后期,“有機催化”開始出現。最初,一些化學家批評有機催化不像它聲稱的那樣綠色 - 它需要高催化劑負載,而且,反應后很難回收,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這些問題。他說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?!斑@仍然無法與金屬相媲美,但成本要低得多,”他補充道。Melchiorre強調了有機催化如何種植化學領域并最終在其他領域發揮作用,尤其是光催化氧化催化,它允許新型轉化:“[David] MacMillan創造了兩個領域之間的聯系。光活化使得醛類與烯胺的烷基化反應成為可能。這種反應不能用經典的有機催化方法完成?!霸S多其他領域已經從有機催化中出現,現在工業已經擴大了不對稱有機催化方案,以合成精細化學品和藥物。

3、固態電池

早在19世紀,電化學先驅邁克爾-法拉第就提出了固態電池的概念。然而,他們的發展直到最近才成為現實?,F在,來自博世,戴森,豐田和英特爾等多個行業的重要行業正在投資數十億美元?,F在無處不在的鋰離子電池的共同發明者John Goodenough最近公布了一種使用玻璃作為電解質的電池,證明固態電池比以往更接近市場。與為我們的智能手機,平板電腦和筆記本電腦供電的鋰離子電池相比,固態電池更輕,允許更高的能量存儲,并且在高溫下表現良好。此外,與鋰離子技術中使用的電解質不同,固態電解質不易燃,可能避免自發火災和爆炸,就像幾年前三星Galaxy Note 7推出的火焰一樣。然而,新技術仍然非常昂貴。

4、流動化學

流動化學中的反應是在不斷流動的過程中進行而不是批量生產,最終將處理有害物質和提高生產率的風險降至最低,同時防止危害并降低對環境的影響。雖然有些人認為流動化學處于非常早期的小規模實驗室階段,但高效的工業應用越來越普遍。

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,流程更快,更簡單,更可靠,這與SDG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。默克化學家實現了100千克規模的verubecestat前體合成,這是一種治療阿爾茨海默病的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,以及由輝瑞公司開發的自動流動系統,該系統能夠每天分析多達1500個反應條件(點擊查看:顛覆有機合成"人海戰術",輝瑞新技術每天篩選1500次反應),加速了新藥和現有藥物的最佳合成途徑的發現。

5、反應擠出

隨著流動化學的發生,反應擠出成為一種允許化學反應完全無溶劑化的技術。消除潛在有毒溶劑使該過程對環境友好。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,但在制備有機化合物方面還不夠成熟?;瘜W家們使用球磨機已經制備了氨基酸,腙,硝酮和肽 ,并且已經實現了一些非常經典的有機反應 - suzuki偶聯,點擊化學, 但是在聚合物之外的反應擠出條件下的實例仍然難以捉摸。生物技術公司Amgen報道了優化的共晶合成,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。前面的兩個例子都涉及分子內相互作用的形成,但不是新共價鍵的產生。然而,化學家們最近報道了金屬有機骨架(MOFs)的形成和螺桿擠出的離散金屬配合物,為更清潔,更可持續的無溶劑化學開辟了新的可能性。

6、用于集水的MOF和多孔材料

據聯合國(UN)稱,水資源短缺影響了全球40%以上的人口,并且預計會增加?;瘜W可以為這個問題帶來解決方案,特別是金屬有機框架(MOF)。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 - 氫氣,甲烷,二氧化碳,水 - 到更復雜的物質,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用,但Omar Yaghi偶然發現了它們從大氣中捕獲水的巨大潛力?!爱斘覀冄芯繉⑷紵髿怏w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。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?!斑@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能量,”Yaghi說。最近報道的模擬仙人掌刺結構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用于制造從生物燃料到藥物的所有物質?!岸ㄏ蜻M化需要對數萬種變體進行實驗測試,[最終]提供高活性酶,”SílviaOsuna解釋說,他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和酶相比,通過合理設計產生的最活躍的酶“仍然表現得相當差?!备鶕﨩suna的說法,關于定向進化的最有趣的事實是“突變[是]遠離酶活性位點對酶催化活性產生巨大影響?!?/p>

只有通過分析人工進化的酶,我們才能學會這一點。她通過計算研究酶的領域可能是識別類似趨勢的關鍵,從而更好地理解定向進化?!坝嬎闶潜姸喙ぞ咧?,加上蛋白質工程的進步,基因合成,序列分析和生物信息學,這將有助于我們化學家制作更集中的[酶]庫,”她總結道。

定向進化的局限性尚待發現。在她最近的論文中,阿諾德使用定向進化“破解”植物酶細胞色素P450?,F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。

8、從塑料到單體

“循環經濟無疑是目標,”Tanja Junkers說?;瘜W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做同樣的事情?!边@種策略將一舉兩得,“它將解決長期可回收性的問題,并且[需要]找到合適的主要[聚合物]構件的來源?!?/p>

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到它們的單體中。其他如聚對苯二甲酸乙二醇酯(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。

除了經典化學之外,就像阿諾德先前提到的酶促轉化方法一樣,一些細菌已經進化,這樣它們也可以將PET分解成碎片。有時塑料是碳的唯一來源,如果你想生存,你需要適應。至少有一種Nocardia具有可破壞PET中酯鍵的酯酶,最近,日本研究人員發現了Ideonella sakaiensis,這種細菌可以在六周內分解PET塑料薄膜,這歸功于兩種不同的酶。然而,回收是昂貴的,“塑料世界的利潤率很低,每一分錢都很重要,”容克斯說?;瘜W家們正在尋找更便宜的循環經濟選擇。此外,隨著石油變得不那么豐富,塑料的價格會慢慢上漲。但是,除此之外,我們必須提高認識,清潔塑料可能更昂貴,但值得?!吧鐣仨氃敢鉃楦沙掷m的選擇支付更高的價格,”容克斯總結道。

9、自由基聚合的可逆失活

“自由基聚合反應失活(RDRP)是二十多年前發明的,它徹底改變了聚合物世界,”Junkers解釋道?!斑@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正在接近的精確度的聚合物,”她說。RDRP聚合物已在各種領域中得到應用:建筑,印刷,能源,汽車,航空航天和生物醫學設備只是其中的一些例子?!按蠖鄶禃r候,我們使用這些聚合物卻沒有意識到這一點,”容克斯說。RDRP已成為工業化學家非常強大和有用的工具。

但仍有很大的發展空間,特別是尋找更環保的聚合解決方案?,F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,化學家們還開發了RDRP方法,這些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。

最后,化學家們還掌握了在水性介質中起作用的聚合過程,避免使用揮發性或有害溶劑。最近的進展使他們能夠在幾分鐘內在水中獲得超高分子量聚合物,同時保持對聚合物支化的精細控制。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光。盡管是一種成熟的技術,我們可以肯定RDRP方法將繼續創新,產生更廣泛的商業成功。

10、三維生物打印

生物打印是當今最有前途的技術之一。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,因為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組織和器官。目前,科學家們已經可以對管狀組織(心臟,尿道,血管),粘性器官(胰腺)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。

化學在這個非常復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算模型。這是通過使用諸如計算機斷層掃描(CT)掃描和磁共振成像(MRI)的成像技術來完成的,這兩者通常都需要化學造影劑,例如釓染料。然后,生物打印本身需要無數的化學物質來穩定生物墨水,觸發細胞的組裝,或充當印刷組織的支架。

最后,3D生物打印的對象需要隨著時間的推移保持其結構和形式,這是一個需要物理和化學刺激的過程。而且,就像在任何移植或手術中一樣,身體總是存在拒絕印刷組織的風險。了解細胞 - 細胞識別的化學反應,主要是由以糖脂和糖蛋白形式包裹膜的糖來控制,是減少排斥反應的關鍵?;瘜W作為高度復雜的3D生物打印背后的所有交叉學科的中心,將是這種邊緣技術的進一步發展的關鍵,據一些專家說,甚至可以建立比現有生物學更好的新器官。

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確保我們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版本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。

化學創新將推動實現可持續發展目標的變革,并最終實現IUPAC的使命 - 應用和傳播化學知識,為人類和世界帶來最大利益。

以上內容為機器翻譯,有較多錯誤之處,僅供參考,完整內容請點擊下方閱讀原文查看原文:

https://iupac.org/iupac-announces-the-top-ten-emerging-technologies-in-chemistry/

https://www.degruyter.com/view/j/ci.2019.41.issue-2/ci-2019-0203/ci-2019-0203.xml

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