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化学领域十大新方向

发布者:    发布时间:2019-10-21  

2019年是化学领域非常特殊的一年。2019年是两个重要的纪念日:国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)成立100周年,以及迪米特里·门捷列夫首次发表元素周期表150周年。IUPAC是一个全球性的组织,在众多的组织中,它为化学研究、教育和贸易建立了一种共同的语言。在成立100周年纪念日上,IUPAC首次公布了化学领域十大新兴技术名单:纳米农药、对映选择性有机催化、固态电池、流动化学、反应挤出、用于集水的MOFs和多孔材料、选择性酶的定向进化、从塑料到单体、自由基聚合反应的可逆失活和3D生物打印。

1、纳米农药

世界人口不断增长。一些预测表明,到2050年,我们将有将近100亿人口。为了保护作物可持续发展,需要大量增加农业产量,最大限度地减少土地利用方面的环境影响,减少所需的水量,并减少人口数量。农药,如化肥或农药污染。不出所料,纳米技术正在吸引制药和健康行业以外的相当多的关注。量身定制的纳米输送系统也可以成为农民的一个很好的工具,因为它最终将使他们能够解决传统农药的主要问题,如环境污染,生物累积和抗虫害的大幅增加。在大多数情况下,疗效的提高非常有限。然而,在某些情况下,研究人员观察到在实验室条件下改进了一个数量级。我们仍然需要在田间条件下对纳米杀虫剂的功效进行适当的评估。

这就是为什么一些公司仍在调查他们的潜力,证明这项技术仍有希望。加拿大Vive Crop可能是最好的例子,销售的产品比非纳米商业替代品具有更好的吸收性和更少的环境影响。此外,该公司最近获得了美国环境保护局的批准,将各种纳米包封的杀虫剂和杀菌剂商业化。纳米技术可能不是成功的新的,更具可持续性的农业的唯一成分,但它肯定会导致更复杂的农用化学品,对环境和人类健康的影响更小。

2、对映选择性有机催化

化学家一直受到大自然的启发。几年前,研究人员梦想有一种新型催化剂,与大多数天然酶一样,不需要使用昂贵的金属。有机催化诞生于20世纪90年代后期,从那以后它一直没有停止过。根据该领域的领先专家之一Paolo Melchiorre的说法,有机催化是成功的,因为它非常民主,每个人都可以在不需要昂贵的试剂或手套箱的情况下使用它,这使得许多年轻的研究人员能够开始他们独立的职业生涯,并迅速组建了一个国际专家社区,成为没有金属的催化思想的伟大孵化器,他解释说。

最初,一些化学家批评有机催化不像它声称的那样绿色-它需要高催化剂负荷,而且,反应后很难回收催化剂,这似乎违背了催化的定义。然而,Melchiorre指出研究人员如何克服大多数这些问题。他说有机催化的最初焦点是开发新方法而不是降低催化剂负荷

然而,由于化学家了解降低催化剂用量可能产生的工业影响,他们只使用百万分之几的有机催化剂来制定手性碳-碳键的方法。这仍然无法与金属相媲美,但成本要低得多,他补充道。

化学家们还开发了更好地回收催化剂的解决方案--Ben List将它们固定在像尼龙这样的固体基质上,这只是众多可能的答案之一。Melchiorre强调了有机催化如何种植化学领域并最终在其他领域发挥作用,尤其是光催化氧化催化,它允许新型转化:“[David] MacMillan创造了两个领域之间的联系。光活化使得醛类与烯胺的烷基化反应成为可能。这种反应不能用经典的有机催化方法完成。许多其他领域已经从有机催化中出现,现在工业已经扩大了不对称有机催化方案,以合成精细化学品和药物。

3、固态电池

19世纪已经设想了固态电池世纪由先驱化学家迈克尔法拉第。然而,他们的发展直到最近才成为现实。现在,来自博世,戴森,丰田和英特尔等多个行业的重要行业正在投资数十亿美元。现在无处不在的锂离子电池的共同发明者John Goodenough最近公布了一种使用玻璃作为电解质的电池,证明固态电池比以往更接近市场。与为我们的智能手机,平板电脑和笔记本电脑供电的锂离子电池相比,固态电池更轻,允许更高的能量存储,并且在高温下表现良好。此外,与锂离子技术中使用的电解质不同,固态电解质不易燃,可能避免自发火灾和爆炸,就像几年前三星Galaxy Note 7推出的火焰一样。然而,新技术仍然非常昂贵。

对于许多其他应用,聚合物可能是最好和最经济的解决方案。法国运输公司Bolloré已经在制造和商业化基于聚合物的固态电池,它们主要用于网络连接传感器。

根据聚合物专家Tanja Junkers的说法,电荷输送聚合物确实令人着迷-我们刚刚看到了未来可能发生的事情的开始。仍有许多研究要做,特别是因为固态电池组件如此紧密地结合在一起,以至于理解每个组件的行为都非常复杂。

学术界和工业研究人员正在密切合作,开发出更好的非破坏性操作技术-电子显微镜和核磁共振-以了解固态电池的性能。对于大多数用途,该技术仍需要几年的开发。

4、流动化学 

化学是实现联合国可持续发展目标(SDGs)的关键,这一目标是到2030年为所有人实现更好,更可持续的未来的蓝图。其中,流动化学,其中反应在不断流动的流中进行而不是批量生产,对于解决SDG12:负责任的消费和生产尤其重要。流动化学过程最终将处理有害物质和提高生产率的风险降至最低,同时防止危害并降低对环境的影响。虽然有些人认为流动化学处于非常早期的小规模实验室阶段,但高效的工业应用越来越普遍。

早在2015年,麻省理工学院的化学家就证明了流动化学的潜力,可以创造出经典批次技术难以实现的定制聚合物。据该领域的专家介绍,流程更快,更简单,更可靠,这与SDG目标非常一致。

最近的实例甚至已经显示出流动化学可以承受有害试剂如有机锂化合物的潜力。默克化学家实现了100千克规模的verubecestat前体合成,这是一种治疗阿尔茨海默病的III期候选药物。最近的其他实例包括环丙沙星(一种必需的抗生素)的流动合成,以及由辉瑞公司开发的自动流动系统,该系统能够每天分析多达1500个反应条件,加速了新药和现有药物的最佳合成途径的发现。

5、反应挤出

随着流动化学的发生,反应性挤出成为一种允许化学反应完全无溶剂化的技术。消除潜在有毒溶剂使该过程对环境友好。然而,它产生了许多工程挑战,因为它需要对现有的工业流程进行全面的重新设计。尽管挤出工艺已被聚合物和材料专家广泛使用和研究,但现在只有其他化学家开始研究它们在制备有机化合物方面的可能性。经典的挤出方法涉及在球磨机中研磨试剂,但使用螺杆的更先进的挤出技术甚至可以允许这些无溶剂反应在流动设置中操作。再来一次,缺点在于有效地调整系统并扩展它们。在他们的实验室中,化学家们使用球磨机来制备几种有吸引力的产品-氨基酸,腙,硝酮和肽-并且已经实现了一些非常经典的有机反应-铃木偶联,点击化学-但是在聚合物之外的反应挤出条件下的实例仍然存在相当难以捉摸。然而,稀少的例外显示出巨大的希望。生物技术公司Amgen报道了优化的共晶合成,可用于治疗慢性疼痛,这也是机械化学合成的第一个例子,可扩大到数百克。此外,英国的科学家们已经使用反应性挤出来有效地制备深低共熔溶剂 -一类可能成为新一代绿色,非易燃溶剂的离子液体。前面的两个例子都涉及分子内相互作用的形成,但不是新共价键的产生。然而,化学家们最近报道了金属有机骨架(MOFs)的形成和螺杆挤出的离散金属配合物,为更清洁,更可持续的无溶剂化学开辟了新的可能性。

6、用于集水的MOF和多孔材料

据联合国(UN)称,水资源短缺影响了全球40%以上的人口,并且预计会增加。最重要的是,十分之三的人无法获得安全管理的饮用水服务。化学可以为这个被确定为SDG 6的问题带来解决方案,改变我们的世界使用多孔材料,特别是金属有机框架(MOF)。像MOF这样的多孔材料具有海绵状化学结构,具有微观空间,可以选择性地捕获分子,从气体-氢气,甲烷,二氧化碳,水-到更复杂的物质,如药物和酶。虽然一些研究人员专注于MOF在药物输送和气体净化中的应用,但Omar Yaghi偶然发现了它们从大气中捕获水的巨大潜力。当我们研究将燃烧后气体吸收到MOF中时,我们注意到一些MOF与水分子发生了独特的相互作用,”Yaghi解释道。然后,他们想知道是否有相同的材料可以用于在干旱气候中从大气中捕获水分,然后很容易被释放用于收集。这种技术是独一无二的,因为它可以从干燥的沙漠空气中获取可饮用量的纯净水,除了自然阳光之外不需要能量,”Yaghi说。只需一公斤的MOF就能在湿度低至20%的情况下每天收获2.8升水。在开发更高容量,可能更便宜的集水材料时,Yaghi“已经与公司合作,在工业规模上测试他们的MOF水收割机。还有其他具有类似能力的多孔材料,如硅基和无机多孔固体,以及最近报道的模拟仙人掌刺结构的仿生多孔表面只需一公斤的MOF就能在湿度低至20%的情况下每天收获2.8升水。在开发更高容量,可能更便宜的集水材料时,Yaghi“已经与公司合作,在工业规模上测试他们的MOF水收割机。还有其他具有类似能力的多孔材料,如硅基和无机多孔固体,以及最近报道的模拟仙人掌刺结构的仿生多孔表面只需一公斤的MOF就能在湿度低至20%的情况下每天收获2.8升水。在开发更高容量,可能更便宜的集水材料时,Yaghi“已经与公司合作,在工业规模上测试他们的MOF水收割机。还有其他具有类似能力的多孔材料,如硅基和无机多孔固体,以及最近报道的模拟仙人掌刺结构的仿生多孔表面。Yaghi认为,他们中的大多数人在从低湿度空气中吸收水的能力不如MOF。然而,进一步的研究当然可以探索找到最佳解决方案的所有可能性,不仅用于收获水,而且用于净化水,确保实现联合国最重要的目标之一-实现充分和公平的卫生和卫生。所有。

7、选择性酶的定向进化

酶的定向进化获得了2018年诺贝尔化学奖。通过定向进化产生的酶用于制造从生物燃料到药物的所有物质。根据诺贝尔委员会的说法,像2018年获奖者弗朗西斯·H·阿诺德这样的化学家已经控制了进化,并将其用于为人类带来最大利益的目的。

定向进化需要对数万种变体进行实验测试,但[最终]提供高活性酶,”SílviaOsuna解释说,他通过先进的计算方法研究酶。她认为,与实验中人工进化的天然酶和酶相比,通过合理设计产生的最活跃的酶仍然表现得相当差。根据Osuna的说法,关于定向进化的最有趣的事实是突变[]远离酶活性位点对酶催化活性产生巨大影响。

只有通过分析人工进化的酶,我们才能学会这一点。她通过计算研究酶的领域可能是识别类似趋势的关键,从而更好地理解定向进化。计算是众多工具之一,加上蛋白质工程的进步,基因合成,序列分析和生物信息学,这将有助于我们化学家制作更集中的[]库,她总结道。

定向进化的局限性尚待发现。在她最近的论文中,阿诺德使用定向进化破解植物酶细胞色素P450。现在,它们可以很容易地将碳-氢键转化为更复杂的不对称碳-碳键。

8、从塑料到单体

循环经济无疑是目标,”Tanja Junkers说。化学家应该再次受到大自然的启发。在那里,一切都被重复使用,我们应该对我们的合成材料做同样的事情。这种策略将一举两得,它将解决长期可回收性的问题,并且[需要]找到合适的主要[聚合物]构件的来源。

一些聚合物,如聚乳酸(PLA),只需使用热量就可以很容易地再循环到它们的单体中。其他如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)可以类似地分解成它们最基本的单元。首先,用乙二醇处理聚合物,乙二醇将长聚合物链断裂成低聚物。这些较小的碎片在较低温度下熔化,因此可以过滤以除去任何杂质。然后,一旦材料被净化,它就完全分解成单体,然后通过蒸馏再次纯化。

除了经典化学之外,就像阿诺德先前提到的酶促转化方法一样,一些细菌已经进化,这样它们也可以将PET分解成碎片。有时塑料是碳的唯一来源,如果你想生存,你需要适应。至少有一种Nocardia具有可破坏PET中酯键的酯酶,最近,日本研究人员发现了Ideonella sakaiensis,这种细菌可以在六周内分解PET塑料薄膜,这归功于两种不同的酶。然而,回收是昂贵的,塑料世界的利润率很低,每一分钱都很重要,容克斯说。化学家们正在寻找更便宜的循环经济选择。此外,随着石油变得不那么丰富,塑料的价格会慢慢上涨。但是,除此之外,我们必须提高认识,清洁塑料可能更昂贵,但值得。社会必须愿意为更可持续的选择支付更高的价格,容克斯总结道。

9、自由基聚合的可逆失活

自由基聚合反应失活(RDRP)是二十多年前发明的,它彻底改变了聚合物世界,”Junkers解释道。这些方法都依赖于对其他几乎无法控制的链式反应实施控制的机制,使我们能够设计出与自然界正在接近的精确度的聚合物,她说。RDRP聚合物已在各种领域中得到应用:建筑,印刷,能源,汽车,航空航天和生物医学设备只是其中的一些例子。大多数时候,我们使用这些聚合物却没有意识到这一点,容克斯说。RDRP已成为工业化学家非常强大和有用的工具。

但仍有很大的发展空间,特别是寻找更环保的聚合解决方案。现在有许多方法只使用光来控制RDRP过程,即使不需要使用金属。近年来,化学家们还开发了RDRP方法,这些方法可用于流动系统,这将使它们朝着更加绿色的聚合物和塑料合成方向发展。

最后,化学家们还掌握了在水性介质中起作用的聚合过程,避免使用挥发性或有害溶剂。最近的进展使他们能够在几分钟内在水中获得超高分子量聚合物,同时保持对聚合物支化的精细控制。这些过程中的一些可以使用非常低能量的光源,在某些情况下甚至只是阳光。尽管是一种成熟的技术,我们可以肯定RDRP方法将继续创新,产生更广泛的商业成功。

10、三维生物打印

生物打印是当今最有前途的技术之一。使用由活细胞以及生物材料和生长因子制成的3D打印机和墨水,化学家和生物学家已经设法制造出与其天然版本几乎无法区分的人造组织和器官。3D生物打印可以彻底改变诊断和治疗,因为人工组织和器官可以很容易地用于药物筛选和毒理学研究。这项技术甚至可以为不需要捐赠者的理想移植创造组织和器官。目前,科学家们已经可以对管状组织(心脏,尿道,血管),粘性器官(胰腺)和固体系统(骨骼)进行3D打印。最近,剑桥研究人员甚至设法对视网膜进行三维打印,仔细沉积不同类型的活细胞层,以产生一种在结构上类似于原生眼组织的构造。

化学在这个非常复杂的过程的所有步骤中起着核心作用。首先,需要扫描器官和组织以便具有计算模型。这是通过使用诸如计算机断层扫描(CT)扫描和磁共振成像(MRI)的成像技术来完成的,这两者通常都需要化学造影剂,例如钆染料。然后,生物打印本身需要无数的化学物质来稳定生物墨水,触发细胞的组装,或充当印刷组织的支架。

最后,3D生物打印的对象需要随着时间的推移保持其结构和形式,这是一个需要物理和化学刺激的过程。而且,就像在任何移植或手术中一样,身体总是存在拒绝印刷组织的风险。了解细胞-细胞识别的化学反应,主要是由以糖脂和糖蛋白形式包裹膜的糖来控制,是减少排斥反应的关键。化学作为高度复杂的3D生物打印背后的所有交叉学科的中心,将是这种边缘技术的进一步发展的关键,据一些专家说,甚至可以建立比现有生物学更好的新器官。

凭借化学十大新兴技术计划,IUPAC不仅庆祝其过去100年,而且还展望了化学的未来。这些进步中的每一项都具有确保我们社会福祉和地球可持续性的巨大潜力。因此,IUPAC将继续在化学国际的未来版本中展示这些新兴的化学,材料和工程技术。我们的目标是促进和突出化学在日常生活中无处不在的贡献,并激励新一代年轻科学家无畏地接受我们所面临的挑战,使他们能够通过研究,创业和创造力找到解决方案。

化学创新将推动实现可持续发展目标的变革,并最终实现IUPAC的使命-应用和传播化学知识,为人类和世界带来最大利益。

来源:ChemSciHub、材料科学与工程



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