魏昕宇
剛剛過去的2020年註定要在人類歷史上留下濃重的印跡。
剛剛過去的2020年註定要在人類歷史上留下濃重的印跡。在這個特殊的年份裡，全世界的化學工作者們有哪些值得關注的成績？像往常一樣，美國化學會主辦的《化學化工新聞》為我們進行了盤點。
重中之重：關於新冠病毒的研究2020年科學研究的重點無疑是應對肆虐全球的新冠肺炎疫情。雖然大部分相關研究主要集中在疫情監控、流行病學調查、開發新的藥物與測試手段等方面，許多關於新冠病毒的研究仍然與化學領域相關。下面列舉的就是其中的一些代表。
新型冠狀病毒SARS-CoV-2的基因序列在年初被公佈以後，弄清病毒的三維結構就成為結構生物學家的當務之急，這不僅能夠幫助我們從分子水平研究該病毒的致病機理，還有助於開發有關的藥物和疫苗等。美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Jason McLellan教授率先利用低溫電子顯微鏡確定了新冠病毒表面刺突蛋白的結構。刺突蛋白是新冠病毒用來與人體細胞上受體結合的主要蛋白，因而這項研究具有重要的意義。其它多個研究小組也相繼跟進。到了11月末，全世界的科學家們已經發表了超過500份新冠病毒相關的結構資料。
Jason McLellan教授的團隊公佈的新冠病毒刺突蛋白的結構影象
相關論文：
Daniel Wrapp et al. “Cryo-EMstructure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation”, Science, 2020,367, 1260
口罩無疑是對抗新冠肺炎疫情的重要手段之一。在疫情爆發之初，許多歐美國家的公共衛生官員並沒有建議普通民眾佩戴口罩，並且擔心這樣的建議可能會導致民眾搶購口罩，從而導致醫護人員面臨口罩的短缺。然而，多項研究都證明口罩能夠有效抑制新冠病毒的傳播，這使得包括美國疾病控制與預防中心在內的許多政府機構轉變立場，推薦並呼籲民眾在公共場合佩戴口罩。在新冠疫情爆發初期，由於一次性醫用口罩供不應求，普通民眾往往不得不自制口罩。針對這一情況，不少科研機構利用自身的專業裝置為民眾提供行之有效的建議。例如美國阿貢國家實驗室的一項研究表明，將多層不同型別的織物結合能夠有效提供口罩的過濾效率。
相關論文：
M. Joshua Hendrix et al. “Absenceof Apparent Transmission of SARS-CoV-2 from Two Stylists After Exposure at aHair Salon with a Universal Face Covering Policy — Springfield, Missouri, May2020”, Morbidity and Mortality Weekly Report, 2020, 69, 930
ChristineM. Szablewski et al. “SARS-CoV-2 Transmission and Infection Among Attendees ofan Overnight Camp — Georgia, June 2020”, Morbidity and Mortality Weekly Report,2020, 69, 1023
AbhitejaKonda et al. “Aerosol Filtration Efficiency of Common Fabrics Used in RespiratoryCloth Masks”, ACS Nano, 2020, 14, 6339
關於新冠肺炎研究的其它爭論也值得一提。儘管新冠肺炎毫無疑問是一種呼吸道傳染病，新冠病毒能否透過分散在空氣中的較小的液滴或者顆粒，也即通常所說的氣溶膠來傳播，在疫情爆發之初並不清楚。不少專業人士認為新冠病毒只能透過較大的液滴傳播，而這些液滴通常很快就會落到物體表面，很難移動較遠的距離。然而，稍後的多項研究表明，新冠病毒確實有可能透過氣溶膠傳播。在疫情初期，一些研究還認為O型血的人在感染新冠病毒後比較不容易發展成重症，但稍後的研究並沒有發現新冠患者病情嚴重程度與血型之間有任何關聯。
相關論文：
Yuan Liu et al.“Aerodynamic analysis of SARS-CoV-2 in two Wuhan hospitals”, Nature, 2020, 582,557
LeonardoSettiet al. “SARS-Cov-2RNA found on particulate matter of Bergamo in NorthernItaly: First evidence”, Environmental Research, 2020, 188, 109754
SunnyDzik et al, “COVID‐19and ABO blood groups”, Transfusion, 2020, 60, 1883
ChristopherA. Latz et al. “Blood type and outcomes in patients with COVID-19”, Annals ofHematology, 2020, 99, 2113
一言難盡的二氧化碳排放2020年在二氧化碳排放方面可謂頗具戲劇性的一年。一方面，美國加利福尼亞州和澳大利亞都經歷了史無前例的山火。科學家們一致認為，越來越嚴重山火是人類活動造成的氣候變暖的結果，而山火的肆虐又釋放出更多溫室氣體，可謂是一個惡性迴圈。而另一方面，為了應對新冠肺炎的全球大流行，各國政府都採取了一定措施來限制居民的日常活動特別是出行，由此又導致了一個令人驚訝的結果：2020年上半年全球二氧化碳排放量比去年同期相比下降了8.8%。造成二氧化碳排放量大幅下降的主要原因是人們開車出行顯著減少。這一“無心插柳”的大型試驗表明，減少乘車出行，或者用更加環保的電動車代替燃油汽車，或將有效降低溫室氣體的排放量。
相關論文：
Jesse H. Kroll et al. “Thecomplex chemical effects of COVID-19 shutdowns on air quality”, NatureChemistry, 2020, 12, 777
ZhuLiu et al. “Near-real-time monitoring of global CO2 emissionsreveals the effects of the COVID-19 pandemic”, Nature Communications, 2020, 11,5172
在2020年，來自世界各地研究人員還在碳捕捉與封存——將人類活動產生的二氧化碳收集起來並長期儲存——領域取得了一定的進展。來自法國里昂大學的一項研究表明，一種多元胺不僅可以與二氧化碳反應，而且其反應產物還可以用來從廢舊電池等材料中提取金屬進行回收再利用，可謂一舉兩得。來自美國加州大學伯克利分校的研究人員則開發了一種新型金屬有機框架（MOF）材料。用模擬的火電站排放的尾氣進行的實驗表明，這種材料能夠將其中90%的二氧化碳吸收。這是第一種符合美國能源部碳捕捉標準的材料。
相關論文：
Jean Septavaux et al.“Simultaneous CO2 capture and metal purification from waste streamsusing triple-level dynamic combinatorial chemistry”, Nature Chemistry, 2020,12, 202
EugeneJ. Kim et al. “Cooperative carbon capture and steam regeneration withtetraamine-appended metal–organic frameworks”, Science, 2020, 369, 392
對其它行星大氣層的新認識不斷加劇的全球氣候變暖讓地球的大氣層毫無疑問地成為科學家們關注的物件，但其它行星的大氣層同樣有許多值得探索之處。2020年曾經引起轟動的一則科技新聞是研究人員透過對望遠鏡收集到的微波訊號進行分析確認了金星的大氣層中存在磷化氫。檢測到這種有毒氣體有什麼特別之處呢？在地球上，磷化氫通常是由微生物活動產生，因此這一發現的含義不言而喻——金星上可能存在著生物！
該研究結果一經公佈就引起了軒然大波，雖然一些研究人員對此趕到興奮，但也有人對結果的可靠程度提出質疑。很快，有專家發現該論文在資料處理中存在錯誤。部分論文初始作者對資料重新分析後認為，金星大氣層中磷化氫的含量只有最初分析結果的五分之一，而另外一部分研究人員對原始資料重新分析後則認為，金星上可能並不存在磷化氫。儘管這一反轉有些令人尷尬，但英國牛津大學天體生物學家和天體物理學家Sarah Rugheimer表示，這很好地說明了科學是如何運作的。
相關論文：
Jane S. Greaves et al. “Phosphinegas in the cloud decks of Venus”, Nature Astronomy, https://doi.org/10.1038/s41550-020-1174-4
JaneS. Greaves et al. “Re-analysis of Phosphine in Venus' Clouds”, https://arxiv.org/abs/2011.08176
I.A.G.Snellen et al. “Re-analysis of the 267-GHz ALMA observations of Venus: Nostatistically significant detection of phosphine”, https://arxiv.org/abs/2010.09761
GeronimoVillanueva et al. “No phosphine in the atmosphere of Venus”,https://arxiv.org/abs/2010.14305
實際上，關於金星的大氣，我們確實瞭解得還不夠。來自美國約翰斯·霍普金斯大學的研究人員對此前的觀測資料重新分析後表明，金星大氣中氮氣的含量比此前預計的高出40%。研究人員表示，此前人們認為，金星大氣的組成在距離金星表面100千米的範圍內都是均一的，然而根據最新分析，金星大氣可能包含了成分不同的若干層。
相關論文：
Patrick N. Peplowski etal. “Chemically distinct regions of Venus’s atmosphere revealed by measured N2concentrations”, Nature Astronomy, 2020, 4, 947
在2020年，來自美國加州大學伯克利分校的研究人員對太陽系外行星大氣中的氣溶膠進行了分析。根據他們的分析結果，太陽系外行星大氣中的氣溶膠成分比此前想象的要簡單。表面溫度較高的太陽系外行星，其氣溶膠主要由矽酸鹽組成，而對於表面溫度較低的行星，氣溶膠成分以烴類有機物為主。
有趣又有用的實驗室助手2020年中的科學成果帶給人們的並不是只有沉重，也有不少令人眼前一亮的有趣研究。下面展示的就是幾種酷炫又實用的新型實驗室工具。
讓多步化學反應自動地連續進行往往需要複雜精密的儀器，但來自韓國蔚山科學技術大學校和波蘭科學院的研究人員想出了一個簡單而又大膽的想法——將不同的液體加入到一個圓柱形的容器中，然後讓圓柱以一定速度快速旋轉，向心力會使得液體按照不同的密度分成若干層。隨後，研究人員向其中一層液體中新增反應物。反應產物如果具有不同的溶解性，會自動進入相鄰的另一層液體中。透過這樣巧妙的設計，研究人員就可以很好地控制多步反應的進行。
透過讓不同液體在高速旋轉下分層，研究人員可以讓多步化學反應自動連續地進行。上圖為這種反應器的實物照片，下圖為利用該裝置進行化學反應的一個例項。
相關論文:
Olgierd Cybulski et al. “Concentricliquid reactors for chemical synthesis and separation”, Nature, 2020, 586, 57
磁力攪拌子可能是化學實驗室最為常見的工具之一，誰能想到聰明的科學家們居然在這種司空見慣的工具上玩出了新花樣！來自英國華威大學的研究人員利用3D列印技術將多種感測器整合到磁力攪拌子中。這種“智慧磁力攪拌子”能夠在長達100個小時的反應過程中實時監控攪拌速率以及反應物的溫度、顏色、粘度、電導率、透明程度等性質，並透過無線網路將資料傳輸出來。目前類似的反應檢測系統成本在2000美元左右，而這種智慧磁力攪拌子的成本只有不到20美元。也許用不了多久，它就會成為化學實驗室的標準配置。
新型智慧磁力攪拌子的實物照片，其長度為52毫米
相關論文：
Nikolay Cherkasovet al.“Monitoring Chemistry In Situ with a Smart Stirrer: A Magnetic StirrerBar with an Integrated Process Monitoring System”, ACS Sensores, 2020, 5, 2497
到了下班時間，實驗還沒做完？不要緊，讓機器人來幫你吧。由英國利物浦大學的研究人員開發的這種機器人不僅能夠完成稱量樣品、混合試劑以及測量反應結果等操作，而且還可以利用人工智慧對包含了大量不同組合的實驗進行最佳化。新冠疫情期間，許多科研專案負責人常常頭疼的一個問題是如何保持社交距離、降低實驗室人員密度的同時又不延誤正常的實驗進度。這種“機器人化學家”的誕生無疑提供了一種獨特的解決方案。
相關論文：
Benjamin Burger et al. “Amobile robotic chemist”, Nature, 2020, 583, 237
有機合成領域的新進展控制反應產物的手性一直是有機合成中的一個熱點和難點。所謂手性，指的是兩種互為映象的結構或者分子不能重合，就像我們的左右手一樣。由於手性導致的化學式相同但結構不同的分子被稱為對映異構。手性的控制在藥物合成中尤為重要，這是因為許多互為對映異構的分子往往具有截然不同的生物活性。
在2020年，美國加州理工學院Gregory Fu教授帶領的團隊報道了一種新的控制反應物手性的反應體系劑。該反應的兩種反應物均為外消旋混合物（即等物質的量的一對對映異構體的混合），反應產物具有兩個手性中心，理論上存在四種不同的對映異構體。然而，透過使用一種具有手性的鎳催化劑，他們能夠以95%的高選擇性和82%的高產率得到其中的一種異構體。
相關論文：
HaohuaHuo et al, “Catalyst-controlleddoubly enantioconvergent coupling of racemic alkyl nucleophiles andelectrophiles”, Science, 2020, 367, 559
我國中科院上海有機化學研究所遊書力研究員帶領的團隊則發現了另一種控制反應產物手性的方法，而這種方法說起來簡單得令人難以置信——控制反應時間。在他們報道的這個反應體系中，在反應6分鐘後，反應產物主要是其中一種對映異構體，但如果將反應時間延長至10個小時，反應產物則是另一種對映異構體。遊研究員表示，這一結果出乎他的意料，他正帶領團隊研究類似的效應是否存在於其它反應體系中。
相關論文：
Hang-Fei Tu et al. “Time-dependentenantiodivergent synthesis via sequential kinetic resolution”, NatureChemistry, 2020, 12, 838
氮氣在大氣中的比例高達78%，可以說是最為廉價的化工原料之一，然而由於氮氣分子中存在著鍵能很高的氮氮三鍵，讓氮氣參與化學反應又絕非易事。美國耶魯大學Patrick Holland教授帶領的科研團隊透過精心設計的金屬催化體系，成功使得氮氣與苯反應，得到苯胺的衍生物。
相關論文：
Sean F.McWilliams et al. “Coupling dinitrogen andhydrocarbons through aryl migration”, Nature, 2020, 584, 221
原文連結：
https://cen.acs.org/education/science-communication/CENs-Year-Chemistry-2020/98/i48
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