最新！交大，Science+1、Nature+1

交大智慧又有新成果！

Science+1、Nature+1

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化学化工学院、变革性分子前沿科学中心

上海市手性药物分子工程重点实验室

张万斌教授团队

与中国科学院上海有机化学研究所

麻生明院士团队合作

在Science发表研究论文

双金属协同催化领域取得重要突破

物理与天文学院、李政道研究所

李耀义副教授、贾金锋院士团队

与香港科技大学刘军伟副教授研究组

在Nature发表研究论文

揭示拓扑量子计算领域新突破

Science +1

8月30日，上海交通大学化学化工学院张万斌教授团队与中国科学院上海有机化学研究所麻生明院士团队合作，在《Science》上发表了一项突破性研究成果，题为：“Stereodivergent access to non-natural α-amino acids via enantio- and Z/E-selective catalysis”。该研究通过配体控制的三组分组装，使用简单易得的芳基碘、联烯和醛亚胺酯，高效合成含有E-和Z-三取代烯烃的对映富集的非天然α-四取代氨基酸。通过协同双手性金属催化策略，首次利用π-烯丙基金属化学成功实现了烯烃构型和中心手性的完全立体控制[(E,R), (Z,R), (E,S), (Z,S)]。

自然界中生命的起源与演化依赖于二十种天然氨基酸。而将具有潜在生物正交活性的烯烃引入到α-氨基酸中，不仅能够极大地丰富其分子生物学效能，也为肽和蛋白质的后期快速修饰开辟了新的途径。此外，由于烯烃可以进行多种后期转化，这为结构多样的非天然α-氨基酸的快速合成提供了一个强大且通用的平台。由于具有不同立体化学（E和Z，R和S）的分子往往表现出截然不同的生物活性，因此，开发一种高效且通用的催化策略来构建含有烯烃的非天然α-氨基酸的所有立体异构体[(E,R), (Z,R), (E,S), (Z,S)]具有重大的研究意义。

长期以来，精准控制碳碳双键的Z/E构型一直是有机合成化学发展中最为基础且极具挑战性的研究课题之一，特别是当同时实现烯烃构型和中心手性的绝对和相对立体化学控制时，无疑将挑战性提升到了一个新的高度。在众多烯烃合成方法中，涉及π-烯丙基金属中间体的烯丙基化学为制备具有中心手性的E-或Z-烯烃化合物提供了一个直接的策略。然而在这类反应中由于难以精准调控所生成的烯丙基金属中间体的热力学和动力学性质，因此只能生成单一构型或Z/E混合构型的烯烃产物。迄今为止，通过选择性地形成或捕获anti-或syn-π-烯丙基金属中间体，从而发散性地合成E-和Z-烯烃的目标尚未实现，仍然是一个亟待攻克的难题。此外，使用相同的起始原料，以完全立体发散的方式合成一系列对映富集的E-和Z-烯烃[(E,R), (Z,R), (E,S), (Z,S)]使这一目标更具挑战性。

图1：通过π-烯丙基金属化学实现含三取代烯烃的非天然α-四取代氨基酸的立体发散性合成

研究团队选用碘苯1a、4-甲基苯基联烯2a和醛亚胺酯3a作为模型底物，Cs₂CO₃作为碱，1,2-二氯乙烷作为溶剂，系统评估了两种手性金属催化剂，最终确定了最优Z-和E-反应条件。研究团队首先对芳基碘底物普适性进行考察，包括不同电性取代的芳基碘化物、杂芳基碘化物以及被多种市售的药物和生物活性分子进行修饰的芳基碘化物，都显示出优良的耐受性。随后，研究团队考察了一系列芳基和杂芳基取代联烯2的底物适用性。结果表明，这些联烯底物都能顺利进行反应，并以中等到高产率得到相应的E-和Z-三取代烯烃，具有优异的Z-和E-选择性和对映选择性。此外，烷基取代的联烯同样也是该反应的有效底物，以良好的反应结果生成所需的产物，并且没有观察到β-H消除副产物的形成。一系列源于天然和非天然氨基酸的α-取代醛亚胺酯底物3，都能以立体发散的方式成功制备了一系列新颖的含有Z-和E-三取代烯烃的非天然氨基酸。

为了深入理解Z-和E-选择性的来源，研究团队进行了详细的机理研究，包括一系列动力学试验、控制实验和密度泛函理论（DFT）计算（图2）。最终研究团队得出结论：1）在Pd/L3反应体系下，迁移插入是立体决定步骤；生成的anti-π-烯丙基钯中间体既是热力学产物又是动力学产物，被亲核试剂直接进攻得到E-选择性产物。2）在Pd/L2反应体系下，亲核进攻是立体决定步骤；syn-和anti-π-烯丙基钯中间体均可生成且可以相互转化，亲核试剂选择性进攻syn-π-烯丙基钯中间体得到Z-选择性产物。控制实验表明，手性铜和手性钯催化剂通过综合调控syn-和anti-π-烯丙基钯中间体的热力学稳定性以及这些中间体对前手性亲核试剂的反应活性，从而实现高的E-和Z-选择性。计算结果与实验结果吻合较好。

图2：机理研究

综上，该工作通过双手性金属协同催化，成功地实现了烯烃构型和中心手性的综合控制。该研究不仅解决了烯丙基金属化学中对C=C键Z/E构型立体控制的长期挑战，而且为含有Z-和E-烯烃部分的光学纯分子的立体发散合成提供了一个潜在的通用策略。此外，探索含有三取代烯烃部分的非天然α-四取代氨基酸[(E,R), (Z,R), (E,S), (Z,S)]的所有立体异构体，为药物设计以及蛋白质和肽修饰提供了更多的选择。

上海交通大学化学化工学院张万斌讲席教授和中国科学院上海有机所/复旦大学麻生明院士为该论文共同通讯作者。上海交通大学张万斌课题组博士生李盼盼为论文第一作者。上海有机所麻生明课题组博士生郑恩，上海交通大学博士生李冠霖、罗亦聪（DFT计算）以及霍小红教授也为这项研究的完成做出了重要贡献。本研究受到了两项国家自然科学基金面上项目的资助（批准号：21831005；21991112）和两项国家重点研发计划的资助（批准号：2023YFA1506700；2022YFA1503200）。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4936

Nature +1

近日，上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所李耀义副教授、贾金锋院士团队与香港科技大学刘军伟副教授研究组在Nature上发表题为“Signatures of hybridization of multiple Majorana zero modes in a vortex”的研究论文。该研究首次发现了多重Majorana零能模存在的证据，开辟了利用晶体对称性来调控多个Majorana零能模之间相互作用的新途径，有望促进新型拓扑量子比特的构筑。

Majorana费米子与其反粒子相同，由意大利物理学家Majorana于1937年在Dirac方程的基础上提出。在凝聚态体系中，Majorana费米子能够以准粒子的形式存在于拓扑超导体中，以束缚态形式存在的Majorana准粒子也被称为Majorana零能模。Majorana零能模是拓扑量子计算的基础，这在世界上引起了研究Majorana零能模的热潮。2012年之后，人们在多种拓扑超导体系中观测到了Majorana零能模存在的证据。实现拓扑量子计算需要对Majorana零能模进行操控、弄清它们之间的相互作用。然而，这些体系中Majorana零能模是空间分离的，实验上操控两个Majorana零能模都还没能做到。另一方面，在过去十几年间，有许多理论预言在新的拓扑超导体中存在受各种对称性保护的多重Majorana零能模，但是一直缺少相关的实验证据。

上交大研究团队从2017年以来长期潜心研究拓扑晶体绝缘体的拓扑超导电性。在前期研究中，他们利用分子束外延技术制备出原子级平整的拓扑晶体绝缘体Sn_1-xPb_xTe与超导体Pb形成的侧向和纵向异质结，并且利用扫描隧道显微镜发现这些异质结具有极强的超导近临效应【Advanced Materials 31, 1905582 (2019)】，以及由拓扑表面态引起的反常超导能隙特征【Physical Review Letters 125, 136802 (2020)】。随后，他们利用分子束外延技术不仅制备出大面积原子级平整的Pb薄膜，还在Pb薄膜上又外延生长出大面积原子级平整的单晶SnTe薄膜，并通过改变界面粗糙度抑制钉扎效应从而实现了对拓扑晶体绝缘体费米能级的显著调节【Science China-Physics Mechanics & Astronomy 67, 286811 (2024)】。

图1：SnTe/Pb异质结形貌和超导电性的测量

在Nature发表的工作中，他们系统地研究了SnTe/Pb异质结的磁通涡旋中零能峰（图1）对磁场的响应情况。在垂直磁场下，SnTe薄膜厚度在十几纳米以上时，磁通涡旋中才能形成零能峰（图2）。得益于异质结极强的超导近临效应，SnTe薄膜厚度即使有几十纳米，在薄膜表面探测到的零能峰的特征依然非常明显，而且在表面可以延伸100纳米的距离而不发生劈裂（图2e）。

图2：垂直磁场下不同厚度的SnTe薄膜中磁通束缚态的空间分布

上面的实验表明该体系中可能存在Majorana零能模，但是怎么才能证明这些磁通中含有受对称性保护的多重Majorana零能模呢？他们巧妙地利用倾斜磁场来破坏晶体对称性，并观察零能峰对磁场的响应。他们发现当倾斜磁场方向和SnTe镜面不平行时，磁通涡旋中的零能峰的空间分布呈现明显不对称的劈裂特征。即使倾斜磁场方向和(010)型镜面平行，零能峰依然呈现出不对称的劈裂特征（图3a-c）。但是，值得注意的是，当倾斜磁场方向和(1-10)型镜面平行时(理论预言Mojarana零能模受该镜面保护，倾斜磁场和该镜面平行时不破坏这个镜面对称性)，零能峰却不发生劈裂（图3d-f）。只要磁场方向不和(1-10)型镜面平行，不用很强的磁场就能使零能峰产生明显的不对称劈裂，而当磁场方向和(1-10)型镜面平行时，即使加较强的磁场，零能峰也不会发生劈裂。大量的实验测量和大规模数值模拟对比证明，SnTe(001)表面的超导电性由SnTe(001)拓扑表面态主导，磁通中零能峰的这种各向异性的磁场响应是受镜面对称性保护的多重Majorana零能模的独有特征，无法用普通束缚态或者单个Majorana零能模来解释。

图3：倾斜磁场下SnTe薄膜中磁通束缚态的空间分布

以前实验报道的Majorana零能模都是空间分离的，要想Majorana零能模之间发生相互作用，需要改变纳米线的长度或者磁通之间的距离，因此，探测Majorana零能模相互作用的特征非常困难。而在本工作中，在单个磁通里就存在多个Majorana零能模，只用改变磁场的方向，就可以使磁通内的多个Majorana零能模发生相互作用，比空间分离的Majorana零能模的体系更容易进行相互作用的调控。另外，与空间分离的单个Majorana零能模不同，多重Majorana零能模意味着粒子和反粒子可以在对称性的保护下共存于同一区域而不发生湮灭，它们之间是否相互作用由对称性是否被破坏来决定，是固体物理中准粒子涌现出的新的量子特性，这种特性没有实物粒子相对应而且无法用实物粒子来复刻。该工作不仅从晶体对称性的角度首次发现多重Majorana零能模存在的证据，还为控制Majorana零能模之间的相互作用开辟了新的方法，并且拓展了Majorana零能模的类型以用于拓扑超导态的调控和新型拓扑量子比特的构造。

论文共同第一作者为上海交通大学杨浩助理研究员、刘腾腾博士、以及香港科技大学温竣裕博士生。共同通讯作者为李耀义副教授、贾金锋院士和香港科技大学刘军伟副教授。论文合作者还有麻省理工学院傅亮教授。该工作得到国家自然科学基金委、科技部和上海市的资助。杨浩在博士生期间获得“上海交通大学优秀博士论文”提名论文，博士后期间入选国家“博士后创新人才”计划和上海市“超级博士后人才”计划，在该论文和前期研究中都发挥了重要贡献。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07857-4

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来源：物理与天文学院 化学化工学院

责任编辑：陈煜阳

主编：金雪

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