12月18日，美国化学会（ACS）旗下的《化学化工新闻》周刊（C&EN）回顾了2017年引人注目的化学前沿研究（链接），下面就让我们看看这些上榜成果吧。 

　　1.机器学习算法和量子计算 

　　巴斯夫和陶氏化学等顶级化学公司联手IBM等计算大咖，基于大数据进行分析、计算和预测，为解决棘手的商业问题提供了新的思路。2017年，机器学习算法和量子计算在解决复杂科学问题上，迈上了新台阶。

　　机器学习揭示4种新的蛋白质结构 

　　华盛顿大学的David Baker团队报道使用这种技术构建出614个蛋白家族的三维结构模型，而在此之前，它们的结构是未知的（Science, 2017, DOI: 10.1126 / science.aah4043）。 

　　IBM公司的“IBM Q”团队在自己的超导量子设备上实现了一种新的量子算法，这种算法可以模拟真实分子，能够高效精确地计算出小分子电子的最低能态（energy state），他们也利用这种算法成功模拟了迄今为止量子计算机所能模拟的最大分子——氢化铍BeH₂（Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature23879）。 

　　2.电化学有机合成 

　　虽然电化学合成在电池、电镀等领域已经很成熟，但是化学家们却不愿意采用这种方法来进行常见的有机反应，比如C-H键活化或交叉偶联，因为化学家们认为电化学合成方法过于繁琐或昂贵。但该技术自2015年以来一直处于上升趋势，并于今年全面爆发。 

　　在有机合成中，当用电流作为替代试剂时，就能避免使用有毒或危险的试剂、保护基团和常用的催化剂。此外，电合成将有机合成工艺流线化，减少加热或冷却需要的能耗。2017年，电化学有机合成成为了更安全、更环保、更廉价的有机合成工艺的新宠。 

　　德国美因茨大学的Siegfried R. Waldvogel和他的团队与赢创工业集团的研究人员合作，创造了一种一步的电化学方法，用于交叉偶联反应，以制备联芳基二醇和二胺，这是重要的化学中间体（C&EN, 2017, 95(11), 23–25，下载网址）。 

　　除了推动开发新的电化学反应，学术研究小组还为从事有机合成人员开发了用户友好的仪器。去年，Waldvogel帮助建立了IKA实验室规模的连续流动电合成系统（ElectraSyn Flow）。今年，美国斯克里普斯研究所的Phil S. Baran团队正在更加频繁地使用电合成用于制备Terpene（萜）类天然产物，他们帮助IKA建立了电化学合成系统的现代化版本ElectraSyn 2.0。 

　　电化学有机合成 

　　3.酶化学 

　　酶在化学研究和化工领域扮演重要角色。2017年，基于酶的前沿研究爆发。一方面，科学家对酶进行模拟合成和修饰；另一方面，大量新型酶被发现。这些酶在生物催化和合成生物学等领域被广泛应用。 

　　C&EN列举了3类关于酶的研究。其中一个例子是哈佛大学Emily P. Balskus研究小组精心研究了蓝藻用来合成芳香天然产物cylindrocyclophanes的酶（Nat. Chem. Biol., 2017, DOI: 10.1038/nchembio.2421）。 

　　4.流体化学 

　　近年来，流动化学在学术界取得了稳步发展。2017年，连续流化学合成法（用管子和T型接头反应器取代了用于批量反应的烧瓶和搅拌棒）成功进军制药行业，实现化学治疗药物的连续生产，更加安全、高效、低成本。 

　　制药巨头礼来公司（Eli Lilly）的研发人员在CGMP（current good manufacturing practices）规范下制备小体积连续流动千克级化合物，他们生产了24千克的化疗候选药物——prexasertib单乳酸盐单水合物，以满足临床试验的需求（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aan0745）。通过在实验室的通风橱中使用连续的小型反应装置、萃取装置、旋蒸仪、结晶仪和过滤装置，以8个连续的单元操作，每天大约生成3千克的目标产物。相比于分批生产，连续过程的安全性更好，反应及纯化的收率和选择性也得到了提高。另外，连续生产过程的每个阶段都与质量控制系统相连，符合CGMP规范。 

　　连续流动工艺的制药装置 

　　5.分子机器 

　　2016年的诺贝尔化学奖被授予了设计分子机器的先驱者，这再次燃起了人们对该领域的热情。2017年“分子机器”研究进入新的发展阶段，比如聚合物“滑轮”可提高锂离子电池性能，以及世界首次“纳米赛车”大比拼等。 

　　　　纳米汽车赛跑  

　　今年四月，全球首场“纳米赛车”大赛在法国图卢兹的材料制造与结构研究中心（CEMES）举行，6辆“纳米赛车”在精致的黄金赛道上比拼。他们需要在36个小时内将单个分子移动100纳米。赛道位于实验室中，处于真空状态，温度略高于绝对零度。 

　　“驾驶员”利用扫描隧道显微镜（STM）探针尖端的电子来驱动分子向前移动，一般一次只能移动0.3纳米左右，，这使得100纳米成了一段“极其漫长的距离”。 

　　最终冠军由来自美国-奥地利队的“偶极赛车”（1000 nm/29h）和“瑞士纳米改装赛车”（133 nm/6.5h）共同获得。前者由美国莱斯大学James M. Tour 和奥地利卡尔·弗朗岑斯格拉茨大学Leonhard Grill 联合领导，“偶极赛车”的特点是低粘附分子车轮、炔基车轴、芳基底盘、纳米汽车前后的偶极功能。（详见Nature自然科研报道）  

图来源：Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature23677　

        英国曼彻斯特大学David Leigh将“分子机器”运用到了手性分子的合成之中。Leigh教授发展了一种可编程、能选择性合成不同产物的分子机器，其“机器手臂”可使反应底物在不同的活性位点间移动，通过一锅串联合成实现硫醇、烯烃对α,β-不饱和醛的立体选择性加成，根据实际需要选择性得到四种非对映异构体中的一种（Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature23677）。

        莱斯大学James M. Tour团队把紫外光激活的分子马达变成了可以穿透细胞膜的小钻孔，该研究的目标是靶向杀灭特定的癌细胞。Tour说癌细胞不会对分子马达的运动产生耐药性（Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature23657）。 

图来源：Science, DOI: 10.1126/science.aam8808

　　2016年诺奖得主之一荷兰格罗宁根大学Ben L. Feringa教授团队报道了一种新型分子马达，实现了由光驱动单向运动的分子马达带动与之相连转子的同步受控运动（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam8808）。

 聚合物“滑轮”提高锂离子电池性能，图来源：KAIST

　　韩国科学技术院（KAIST）的科研人员研发了一种高弹性高分子聚合物，缓解锂离子电池硅负极充放电过程中因硅颗粒体积变化而产生的应力，从而延长锂电池的使用寿命。研究人员用链状分子将α-环糊精串起来形成含有机械键的聚轮烷（PR），然后通过酯键使传统粘合剂聚丙烯酸（PAA）与PR交联，得到双组分PR-PAA粘结剂，形似“分子滑轮”。在电池充电期间，随着硅阳极膨胀，PR的环会像“滑轮”一样自由地沿链条滑动以消散应力，提高材料的稳定性（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4373）。 

　　6.人造女性生殖系统 

　　模拟女性生殖系统，构建基于微流体的人工卵巢和经期循环行为。 

　　美国西北大学Teresa K. Woodruff研究小组开发了一种称为Evatar、能模拟女性28天月经周期的微流体模型，该系统包括来自人类输卵管、子宫、子宫颈和肝脏以及小鼠卵巢的培养组织。Woodruff等人向Evatar系统中添加促卵泡激素，促黄体素以启动月经周期（Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms14584）。 

　　不久后，Woodruff团队与该校Ramille N. Shah研究组合作，利用3D打印技术研制出人造卵巢（Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms15261）。这是一个水凝胶材料的微孔支架，它在小鼠体内发挥了天然卵巢的功能，帮助其成功排卵和怀孕。 

　　7.单分子实验揭示聚合物的生长 

　　美国康乃尔大学的研究人员使用磁镊子，首次在单分子尺度上实现单聚合链增长的实时可视化（Science, 2017, DOI: 10.1126 / science.aan6837）。他们发现聚合物链不像化学家所设想的那样从催化剂上顺利地连续生长，而是经历连续的等待和跳跃步骤。 

　　单分子实验中，研究人员使用硅烷键将聚合物链的自由端连接到玻璃表面，然后将聚合物生长末端的钌催化剂通过一对磁性镊子固定在一个保持在适当位置上的磁性粒子上。通过跟踪磁性离子的位置信息，研究团队在烯烃复分解开环聚合反应过程中实现了对聚合物单分子链的实时可视化。 

　　他们将其实验方法与分子动力学模拟相结合，以揭示其生长机理。原因是新引入单体构象缠结（他们称为“头发球”）的生成和解开。这些构象可以决定聚合速度和单个聚合物分子之间的分散性。 

　　8.益生菌可预防新生儿败血症 

　　美国内布拉斯加大学医学中心一项涉及4556名印度新生儿的临床试验研究表明，服用Synbiotics（益生菌和益生元的合剂）可以有效预防新生儿败血症的发生（Nature, 2017, DOI: 10.1038 / nature23480）。 

　　（图书情报中心整理，部分内容来自纳米人公众号、X-MOL平台）