X-MOL盘点：11月化学前沿科研成果精选
X-MOL团队从Nature、Science、Nature Chemistry和JACS等杂志发表的化学领域研究论文中，精选上月部分有意思的科研成果，以馈读者。
图片来源：昵图网
（一）副产物带来的Nature：董广彬、刘鹏团队实现环戊酮碳碳键活化
Nature, DOI: 10.1038/nature19849
http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7630/full/nature19849.html
Catalytic activation of carbon-carbon bonds in cyclopentanone
打开相对“惰性”的C-C键并不容易，目前比较热门的是金属催化的环张力释放驱动的三元环或四元环C-C键的活化，要想在更常见但张力较小的五元环或者六元环中实现类似的反应，难度就变得更大。尽管当量铑作用的环戊酮脱碳反应已有报道，但效率较低。对于环酮亚胺类化合物，较大的环，如七元环或者更大环系，其C-C键活化效率令人满意，但相同策略对五元环或六元环则显得力不从心。基于以上报道，不难看出环戊酮的C-C键高效选择性活化一直以来都充满着挑战。由于C-C键对金属的氧化加成是可逆的，其逆过程还原消除更加容易。因此，为了实现环戊酮C-C键的活化，需要给予足够的驱动力。芝加哥大学董广彬教授和匹兹堡大学刘鹏教授研究团队巧妙地在环戊酮的3-位引入芳基，在C-C键断裂后，串联一步较为容易的芳烃C-H键活化，而后还原消除、质子化得到热力学稳定的α-四氢萘酮结构。董广彬教授在接受采访时透露，这一成果也是源于偶然发现。2014年，董广彬课题组报道了铑催化的芳基取代环戊酮α-位C-H键与乙烯的反应，在研究该底物的其他类型反应时，研究者们意外得到了少量α-四氢萘酮结构副产物。前面已经说过五元环的C-C键活化相当困难，这一副产物的发现激起了研究者们的兴趣，于是他们对反应条件进行了大量的筛选和优化，终于发现在使用3-芳基取代的环戊酮时，可以顺利地得到α-四氢萘酮结构产物。
（二）钱永健先生遗作：“彩色”电镜洞悉微观多元世界
Cell Chem. Biol.
DOI: 10.1016/j.chembiol.2016.10.006
http://www.cell.com/cell-chemical-biology/abstract/S2451-9456(16)30357-9
Multicolor Electron Microscopy for Simultaneous Visualization of Multiple Molecular Species
加州大学圣地亚哥分校医学院和霍华德·休斯医学研究所的科学家最近发表的文章展示了一种可以同时用电镜观察多种“颜色”的方法。文章的作者中包括最近离世的诺贝尔奖得主、大名鼎鼎的钱永健（Roger Tsien）教授，这篇文章的通讯作者Stephen Adams博士，正是钱永健先生课题组的一位科学家。在这项工作中，为了获得彩色电镜图，研究者们需要按照一定的顺序给细胞的不同结构“上色”，如蛋白质、细胞膜或整个细胞。所用的不同染料是稀土金属离子的配合物。研究者们首先给线粒体和细胞核分别染色，在光照下，红色染料会特异性地光氧化，使Ce-DAB2沉积；Pr-DAB2也如此沉积到细胞核膜上。经过常规的锇处理后，分别用电镜拍摄锇、铈、镨，获得图像，再将图片重叠就能得到细胞内部结构的彩图。彩色电镜提供了单色电镜不能显示的细节信息。标准的电镜操作是用金颗粒标记不同的结构，电子能量损失值是相同的，这就造成了有时很难辨别结构的边界。另一方面，彩色电镜又比彩色荧光显微镜分辨率高得多，堪称神器。理论上，只要能发展更多稀土染料，彩色电镜就能添加更多颜色。这种方法操作非常简单，用的化合物也很容易制备。尤其难得的是它不需要专门的检测器，大部分标准透射电镜都可以操作。
（三）“机器人化学家”分分钟搞定Suzuki反应优化
React. Chem. Eng., DOI: 10.1039/C6RE00153J
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/RE/C6RE00153J
Suzuki–Miyaura cross-coupling optimization enabled by automated feedback
麻省理工学院（MIT）的两位大牛Stephen L. Buchwald和Klavs F. Jensen联手报道了他们利用“机器人化学家”优化Suzuki-Miyaura交叉偶联反应。作者们使用了一个自动的滴流微流控系统探索反应的优化，一个基于DoE的算法被用来提高反应的TON和产率，并同时考虑离散变量（如钯化合物和配体）以及连续变量（如温度、时间、催化剂载量等）。作者发展的这套自动化系统，不仅可以优化反应，还可以根据原料和前催化剂的趋势对于实验结果进行合理化分析，这可以用来更直接地探索相同的自动化实验体系。根据所获得的信息，可以更合理地选择实验参数，包括前催化剂和配体的性质等。在96个实验中，“机器人化学家”都成功地优化了反应条件，用时均不超过10分钟。从筛选结果中，作者确定了那些成功的前催化剂的共性，从而可以帮助化学家更好地理解转金属化和氧化加成过程中配体的影响。作者对二烷基二芳基膦、三烷基膦及双齿配体等都进行了评估。
（四）杨培东团队巧妙设计纳米结构，高选择性催化多相串联反应
J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.6b03915
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b03915
Insights into the Mechanism of Tandem Alkene Hydroformylation over a Nanostructured Catalyst with Multiple Interfaces
在之前工作基础之上，美国加州大学伯克利分校的杨培东教授课题组与Gabor A. Somorjai合作，报道了通过湿化学的方法制备了具有核壳结构的CeO2-Pt@m-SiO2材料。合成方法简单的来说就是先在CeO2上沉积一些Pt粒子，然后再包裹一层多孔的SiO2。这样一来，还是存在一个Pt-CeO2界面和一个Pt-SiO2界面。两个界面耦合在一起，理论上可以催化甲醇+乙烯→丙醛的反应。考虑到上述串联反应中存在一个竞争的副反应（乙烯加氢到乙烷），于是作者考虑了不同结构的催化剂在几个单步反应中的反应速率，经过巧妙设计的CeO2-Pt@m-SiO2材料具有最高的乙烯甲酰化的反应速率，同时相比于CeO2-Pt，乙烯加氢的速率还有所减小。这说明，CeO2-Pt@m-SiO2极有可能在甲醇+乙烯→丙醛的反应中体现出优异的性能。结果确实如此，CeO2-Pt@m-SiO2催化剂可以得到48.9%的丙醛选择性；而如果直接用CeO2-Pt@m-SiO2催化乙烯的甲酰化，丙醛的选择性仅有2.2%。
（五）怎样才能发牛文章？来定量地预测一下
Science, DOI: 10.1126/science.aaf5239
http://science.sciencemag.org/content/354/6312/aaf5239
Quantifying the evolution of individual scientific impact
美国东北大学Albert-László Barabási率领的团队最新开展的一项研究却表明，不管你处在职业生涯哪个阶段，写出高质量文章的概率都相差不大。研究者对数千位科学家发表的文章进行了认真分析，他们的研究表明，从被引用次数最多的文章的发表时间来看，其实分布得比较平均，并没有哪个阶段显得鹤立鸡群。这个结论可能出乎很多人的意料，要知道，长期以来大家就被灌输了这样一种观念：伟大的发现和有重要影响力的工作基本都诞生于科学家的职业生涯早期。不过，新研究倒没有否认这一点：随着科学职业生涯逐渐走向尾声，发表的文章数量呈缓缓下降趋势。参与该项研究的研究者们建立了一个数学模型，以评估一篇文章大获成功的可能性。这个模型依据的标准有两个：一个是运气；另一个则被称为Q因子（被用来衡量一名科学家对某个学科领域的推动能力）。研究者分析统计了2887位物理学家发文章的情况，以对该模型进行检验。他们发现，就“运气”而言，没多大差别。至于Q因子，研究者是通过统计各位科学家文章被引用情况求出——与一定时间段内文章被引用次数的对数成正比。研究者本以为，既然科学家会变得越来越有经验，其Q值自然会随着职业生涯的发展而不断增长。然而，这些人的Q值几乎一直没怎么变过！这表明：一个人的科学职业生涯刚刚开始，这个Q值差不多就定下来了。不过，目前一个比较大的挑战就是：如何找出决定Q值的因素。
（六）为了忘却的记忆——默克抗阿尔兹海默症新药挺进三期临床
Sci. Transl. Med.
DOI: 10.1126/scitranslmed.aad9704
http://stm.sciencemag.org/content/8/363/363ra150
The BACE1 inhibitor verubecestat (MK-8931) reduces CNS β-amyloid in animal models and in Alzheimer’s disease patients
阿尔兹海默症（Alzheimer's disease，AD）是一种常见的慢性神经退行性疾病，目前关于阿尔兹海默症的发病机制有多种假说，最著名的是以β-淀粉样多肽（amyloid-β，Aβ）为代表的Aβ假说——由于Aβ的产生与代谢、解离与凝聚的不均衡，过多的Aβ逐渐聚集形成老年斑，从而导致其他异常如神经纤维纠缠结、轴突和神经细胞缺失等病理性改变。BACE1（beta-site APP cleaving enzyme-1，一种天冬氨酸蛋白酶，又称β-分泌酶）是生成Aβ的关键酶。因此，BACE1抑制剂有望成为缓解AD进展的药物，默克（Merck）旗下的Verubecestat（MK-8931）已完成1期临床，进入到3期临床中。最近，来自默克的科学家Matthew E. Kennedy等人撰文介绍Verubecestat在动物和AD患者中的表现。Verubecestat对人BACE1、BACE2都有强效抑制能力，而对其他酶或受体表现出选择性。数据表明动物长期给药Verubecestat并未发现明显毒副作用。在非老年健康人群中进行单一剂量Verubecestat和安慰剂的临床试验，服用安慰剂后36 h后，脑脊液中的Aβ40、Aβ42还有sAPPβ的浓度等都增加，而服用Verucecestat的Aβ40都大幅下降，550 mg的大剂量组甚至下降了93%。并且Verucecestat的药代动力学性质表现优异，服用后迅速达到在血浆和脑脊液中的分布平衡。在临床试验过程中，未发现严重的副作用，只有一名健康成年人在连续服用550 mg的大剂量Verubecestat后，出现了斑疹和荨麻疹。PK/PD数据表明，Verucecestat影响了所有三个APP代谢物，因此可以解释一种药物就可以发挥作用，而且半衰期长，一天给药一次就能维持有效浓度。与健康人群不同的是，AD患者大脑中已存在大量Aβ，有可能在短期内抵消BACE1抑制剂的作用。Verubecestat的安全性和有效性已得到证明，现在它作为第1个BACE1抑制剂进入两个三期临床试验。
（七）来一套煎饼，哦不对……来一张COF膜
Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201603945
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603945/full
Selective Molecular Sieving in Self-Standing Porous Covalent-Organic-Framework Membranes
共价有机框架材料（Covalent-Organic Framework，COF）具有独特的有序多孔结构，是潜在的分离膜材料。最近，来自印度科学和工业研究理事会（CSIR）-国家化学实验室和科学与工业研究院的科学家们报道了一种简便的方法，可制备一系列连续、多孔、结晶的COF自支撑膜。他们将有机连接分子与反应分子共混，浇筑成膜后加热反应，整个过程类似“摊煎饼”，得到的COF自支撑膜具有更高的结晶度与孔隙率以及优异的长期稳定性。研究者们首先将联苯胺与对甲基苯磺酸在水中混合形成有机盐，再与1,3,5-三甲酰基间苯三酚混合，震荡均匀形成“面糊”；然后在干净的玻璃板上刮涂形成薄膜，再放置在烘箱中进行加热反应就得到了COF膜。如此“摊煎饼”得到的COF膜具有较高的结晶度，且连续无缺陷，在400 °C下依旧能保持较好的稳定性，连续的有序开孔结构也使其与其他类型的分离膜相比具有极高的比表面积，通过改变二胺的结构还能有效调控COF的孔径。随后，研究者还将COF膜用于废水处理以及从有机溶剂中回收活性药用成分。
（八）给大鼠挠痒痒，挠出Science
Science, DOI: 10.1126/science.aah5114
http://science.sciencemag.org/content/354/6313/757
Neural correlates of ticklishness in the rat somatosensory cortex
有些人天生怕痒，别人稍微用指头挠一下就会引来尖叫连连。为什么有的人特别怕挠痒痒，而且一挠就又笑又跳的？这是个非常常见又很难解释的问题。直到最近，一项发表在Science上的研究找到了哺乳动物大脑中的“挠痒中心”，首次证明该区域的神经刺激会引发大鼠的“大笑”和“跳跃”。研究挠痒痒绝对不是科学家闲着没事儿干了，而是有重要的神经学和心理学原因：精神分裂症的一个重要症状就是能把自己挠笑了。挠痒痒还和我们笑、玩和感觉紧密相连。以前的研究表明大脑中多块区域调控着挠痒反应。体感皮层是其中一个区域，但它只负责感知挠痒痒的动作，但不会触发随之而来的大笑。而这篇Science文章证明了笑可以由神经刺激诱发，而不一定是传统认为的情绪控制。挠痒的效果和心情关系很大。为了证明大鼠在焦虑的状态下会对挠痒变得不那么敏感，研究人员把这些夜行动物放在灯光下照射（让它们焦虑不安）。果然，大鼠们对挠痒不敏感了，神经细胞的活动也有所减退，即便用电流刺激。该研究暗示，在生命体发育早期体感皮层的神经细胞与其他脑区形成了某种连接，它们共同协调了挠痒、大笑及识别陌生人的行为。这种连接形成于发育早期还能解释这样的现象：不管是人还是大鼠，如果它们幼时就不能被挠痒逗乐，长大了也不行。
（九）两相催化剂，提升“人工光合系统”水分解性能
Nature Mater., DOI: 10.1038/NMAT4794
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4794.html
A multifunctional biphasic water splitting catalyst tailored for integration with high-performance semiconductor photoanodes
美国能源部（DOE）所属的劳伦斯伯克利国家实验室Ian D. Sharp领导的科学家团队在Nature Materials发表论文，报道了一种新的钴基两相催化剂来催化水的氧化反应，取得了在半导体硅（Si）光阳极上迄今有报道的最高催化性能。首先作者通过一种等离子辅助原子层沉积技术在在p+-Si基底上沉积一层CoOx的催化剂。这种方法得到的催化剂是一层纳米尺度的薄膜。为了进一步的展现这种等离子辅助原子层沉积得到的Co(OH)2/Co3O4两相薄膜的优异性能，作者将催化剂薄膜沉积到常用的p+n-Si光阳极上。作者得到了迄今为止最高的光电催化氧化H2O的性能，同时催化剂在70小时的测试中并没有失活。
（十）3纳米空间分辨率！厦门大学任斌团队Nature子刊发表TERS催化剂表征新突破
Nature Nanotech., DOI: 10.1038/NNANO.2016.241
http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.241.html
Probing the electronic and catalytic properties of a bimetallic surface with 3 nm resolution
近些年来，扫描探针显微镜与拉曼光谱联用的针尖增强拉曼光谱（Tip-Enhanced Raman Spectroscopy，TERS），可以同时提供表面形貌与拉曼光谱信息，并可达到亚纳米级的空间分辨率，这使得科学家们可以在纳米尺度甚至原子尺度来表征催化剂表面结构与性质之间的关系。厦门大学任斌教授团队采用TERS技术成功地以3 nm的空间分辨率对Pd/Au(111)双金属催化剂表面进行成像，得到了该催化剂表面不同位点电子结构与催化活性之间的关系。此项成果证明了TERS可以在原子水平解析催化剂表面的结构与活性关系，有望发展成为多相催化的一种主要分析技术。未来TERS发展也面临挑战，科学家还需要努力提高TERS对基底及吸附物的普适性，即不限于Au或Ag金属以及芳环大分子。
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