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纳米农药居十大化学新兴技术之首

更新时间:2019-10-12 点击量:650

2019年是化学领域非常特殊的一年,是International Union of Pure and Applied Chemistry(IUPAC)成立100周年,以及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,为科学研究、教育和贸易建立了一种共同的化学语言;门捷列夫的元素周期表对当时已知的所有元素进行了分类,甚至还预测了一些元素的存在,而这些元素数年后才被发现。IUPAC在发展现代元素周期表方面发挥了重要作用,它确保每个人都能得到最权威的元素周期表,为新发现的元素建立名称和符号,并通过IUPAC委?#34987;?#19981;?#38686;?#26597;同位素丰度和原子质量的准确性。

 

我们可以庆祝事情还有很多。100多年前,弗里茨·哈伯获得了?#24403;?#23572;?#20445;?#36825;位德国化学家只用空气就创造出了廉价的氮肥,这一发展最终引发了20世纪的人口大爆炸。2019年也是安托万·拉瓦锡的《理想的元素》(Traite Elementaire de Chimie)首次出版230周年,许多人认为这是第一本现代化学教科书。化学地标无处不在,因为化学无处不在——化学是连接物理科学与生命和应用科学的中心科学。

 

寻找科学史上的里程碑并不难,真正具有挑战性的是确定那些最终将成为21世纪重大化学突破的发现。在每天发表的成千上万篇化学论文和专利中,哪一项将真正为一个更可?#20013;?#30340;未来做出贡献

 

因此,IUPAC在庆祝过去的同?#20445;?#20063;在展望未来。“化学十大新兴技术”是为了更广泛地宣传化学和相关科学的基本价值,并确定有可能改变我们对世界的发现。

 

在这篇文章中IUPAC?#24515;?#30340;专家从全球化学家提交的候选名单中选出了“化学十大新兴化学技术?#34180;?#20197;下是化学科学的新进展,徘徊在实验室的萌芽阶段和工业应用之间。当然,在不久的将来,我们将回顾这些创新技术,并庆祝它们如何改变了我们生活的世界。

 

1  纳米农药

世界人口?#20013;?#22686;长。一些预测显示,到2050年,人口数量将接近100亿。养活这么多人需要大量增加农业生产,同时保持作物的可?#20013;?#24615;,包括降低土地使用对环境的影响、减少需水量、减少化肥或农药等农用化学品的污染。同?#20445;?#32435;米技术也吸引了制药和医疗行业以外的大量关注。?#21487;?#23450;制的纳米传递?#20302;?/span>?#37096;?#33021;成为农民的一个伟大工具,因为它最终能?#35805;?#21161;农民解决传统农药的主要问题,如环境污染、生物积累和害虫抗性等。很少有出版物仔细分析所谓的“纳米农药”相对于传?#31243;?#20195;品的好处和风险。而在大多数情况下,纳米农药的效果并没有显著提升。但是在一些研究中人们发现,在实验室条件下,其效果提高了一个数量级。我们仍然需要对纳米农药在田间条件下的有效性进行适当的评估。这也是一些公司仍然在研究他们应用潜力的原因,希望证明这项技术仍然有希望。加拿大的Vive Crop可能是最好的例子,它销售的产品比非纳米?#32435;?#19994;替代品表现出更好的吸收性和更小的环境影响。而且,这家公司最近还获得了美国环保部门的批准,将各种纳米封装?#32435;?#34411;剂和?#26412;?#21058;商业化。对于未来成功的、更可?#20013;?#30340;新型农?#36947;此擔?#32435;米技术可能不是唯一的组成部分,但它肯定会引导并生产出对环境和人类健康影响更小的更复杂的农用化学品。

 

2  对映选择性有机催化

化学?#26131;?#26159;受到大自然的启发。几年前,研究人员曾梦想发明一种新型催化剂,这种催化剂与大多数天然酶一样,不需要使用昂贵的金属,于是有机催化”于20世纪90年代末诞生。领域内权威专家之一Paolo Melchiorre解释道:“有机催化的成功是因为它很民主,不需要昂贵的试剂或手套箱,每个人都可以制备,这也让很多年轻的研究人员开始他们的独立事业,并迅速成立国?#39318;?#23478;协会,为非金属催化提供更多的思路?#34180;?/p>

 

一开始,一些化学家批评有机催化并不像它所宣称的那样环保,它需要高催化剂负载,而且催化剂在反应后很难回收,似乎与催化的定义背道而驰。Melchiorre指出有机催化的最初重点是“开发新方法,而不是降低催化剂的负载?#34180;?/p>

 

尽管如此,化学家们也了解降低催化剂数量可能会产生的工业影响,于是他们精?#32435;?#35745;了?#20013;?#30899;-?#25216;?#30340;方法,将有机催化剂的用量降低到百万分之一。虽然这仍无法与金属相比,但成本要低得多。

 

化学家们?#37096;?#21457;出了更好地回收催化剂的方法,如Ben List将催化剂固定在像尼龙这样的固体基质上。Melchiorre还强调了有机催化是如何在化学领域播下种子,并最终扩展到其他领域,特别是光氧化还原催化领域。他还说道:“MacMillan建立了两个领域之间的联系。?#28909;?#20809;活化使醛与烯胺发生烷基化反应,这是传统的有机催化方法所不能实现的。”有机催化也催生许多其他领域的出现,现在工业已经扩大了通过不对称有机催化合成精细化学品和药物的尝试。

 

3  固态电池

固态电池早在19世纪就被先驱化学家Michael Faraday设想出来了。然而,它们的发展直到最近才成为现实。现在,博世、戴森、丰田和英特尔等多个行业的重要企业都在这项技术上投资了数十亿美元。锂离子电池的共同发明人之一John Goodenough推出了一种以二氧化硅为电解质的电池,使得固态电池比以往任何时候都更接近市场。与我们的智能手机、平板电脑和笔记本电脑使用的锂离子电池相比,固态电池更轻,能储存更多的能量,在高温下?#38405;?#26356;好。此外,与锂离子技术中使用的电解液不同,固态电解液不易燃,因此能够避免自发火灾和爆炸,?#28909;?#20960;年前三星Galaxy Note 7发布时发生的火灾。然而,这项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Bollore公司已经开始制造和商业化基于聚合物的固态电池,这些固态电池主要用于网络连接传感器。根据聚合物专家Tanja Junkers的说法,“电荷转移聚合物真的很吸引人,我们只是看到了未来可能的开端。”但是目前还有很多研究要做,因为固态电池组件紧密结合在一起,我们很难理解每一个组件是如何发挥作用的。

 

学术界和工业界的研究人员正密切合作,开发更好的无损操作技术——电子显微镜和核磁共振以了解固态电池的工作原理。对于大多数应用?#27492;擔?#36825;项技术还需要几年的发展。

 

 

4  流动化学

化学是实现某些联合国可?#20013;?#21457;展目标(United Nations Sustainable Development Goals;SDGs)的关键,SDGs为所有人在2030年前实现更美好、更可?#20013;?#30340;未来提供蓝图。其中,流动化学(即反应是在连续流动的流体中进行的,而不是分批进行的)对于解决SDG 12(可靠的消费和生产)尤为关键。流动化学过程最终降低了处理有害物质的风险,提高产率,既防止了危害,又降低了环境影响。虽然有些人认为流动化学处于非常早期的实验室小规模阶段,但高效的工业应用已经越来越普遍。

 

早在2015年,麻省理工学?#28023;∕IT)的化学家们就展示了流动化学的潜力,可以创造出传统批量技术无法实现的定制聚合物。据专家介绍,流动化学制备过程更快、更简单、更可靠,与SDGs相一致。

 

最近的案例甚至展现出流动化学在抵御有机锂化合物等危险试剂方面的潜力。Merck公司的化学家们成功地合成了一种100公斤级的用于治疗第三阶段阿尔茨海默症的候选药物verubecestat的前体。其他的例子包括环丙沙星(一种基本抗生素)的流动化学合成,以及由Pfizer公司开发的自动流体?#20302;场?#36825;种?#20302;?#27599;天能够分析多达1 500?#22336;?#24212;条件,加速发现新药和现有药物的最佳合成路线。

 

5  反应挤出

与流动化学一起出现的是反应挤出,这是一种?#24066;?#21270;学反应在完全无溶剂条件下发生的技术。由于消除了潜在的有毒溶剂的使用,这一过程十分环境友好。同时它也带来了许多工程上的挑战,因为它需要对现有的工业流?#25506;?#34892;彻底的重新设计。虽然挤出过程已被聚合物和材料领域的专家广泛使用研究,但直到现在,其他领域化学家们才开始挖掘他们在制备有机化合物方面的可能性。经典的挤出方法为在球磨机中研磨试剂,但更先进的使用螺丝的挤出技术甚至可以?#24066;?#36825;些无溶剂反应在流动装置中进行。同样的,?#20302;?#30340;有效调整和规模化生产是这一技术发展的阻碍。在实验室里,化学家们已经用球磨机制备了几种有吸引力的产品——?#34987;?#37240;、腙、硝基和?#27169;?#24182;且已经实现了一些非常经典的有机反应(如铃木?#21058;?#21644;点击化学),但是除?#21496;?#21512;物,在反应挤出条件下的例子仍然很难?#19994;健?#28982;而,案例越是缺乏,希望越是巨大。Biotech公司报道?#21496;?#26377;治疗慢性疼痛潜力的共晶的优化合成,这也是将机械化学合成规模扩大到几百克的第一个例子。此外,在英国,科学家已经利用反应挤出有效地制备了深共晶溶剂,这是一类离子液体,可能成为新一代的绿色、不易燃溶剂。前面的两个例子都涉及分子内相互作用的形成,但没有涉及新的共价键的形成。然而,化学家最近报道了通过螺旋?#36153;?#24418;成的金属有机框架(MOFs)和离散金属配合物,打开了通向更清洁和更可?#20013;?#30340;无溶剂化学的大门。

 

6  MOFs和用于集水的多孔材料

根据联合国(UN)的数据显示,水资源短缺影响了全球40%以上的人口,而?#20197;?#35745;受影响人口数量还会增加。此外,3/10的人无法获得安全管理的饮用水服务。化学可以解决这个问题,即SDG 6(清洁饮水与卫生设施)利用多孔材料,特别是金属有机框架(MOFs),改变我们的世界。

 

 

多孔材料(如MOFs)具有海绵状的化学结构,其微小空间可以选择性地捕获分子,从气体(氢、甲烷、二氧化碳、水)到更复杂的物质,如药物和酶。当一些研究人员专注于MOFs在药物传递和气体净化中的应用?#20445;琌mar Yaghi偶然发现了它们从大气中捕获水分的巨大潜力。Yaghi解释说:“当我们研究燃烧后的气体被MOFs捕获的行为?#20445;?#27880;意到一些MOFs表现出与水分子独特的相互作用。” 然后,他们想知道是否相同的材料能够被用来在干旱气候条件下从大气中捕获水分,然后再将水分释放并收集。Yaghi说:“这项技术是独一无二的,因为它可以从干燥?#32435;?#28448;空气中获取足够饮用量的纯净水,除了自然光以外,不需要任何其他能源。”在湿度低至20%的情况下,一公斤的MOFs每天可以收获2.8升水。在开发更大容量、可能更便宜的集水材料的同?#20445;琘aghi已经与一些公司合作,在工业规模上测试他们的MOFs水收集材料。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?#25506;?#26500;的仿生多孔表面。Yaghi认为,它们中的大多数在低湿度空气中吸收水分方面不如MOFs有效。进一步的研究当然可以探索所有的可能性,并?#19994;?#26368;佳的解决方案,不仅是收集水,还包括净化水,以确保实现联合国最重要的目标之一——为所有人实现充分和公平的清洁卫生。

 

7  选择性酶的定向进化

酶的直接进化获得了2018年?#24403;?#23572;化学奖。通过定向进化产生的酶可被用于制造从生物燃料到药品的一切东西。?#24403;?#23572;委?#34987;?#31216;,2018年?#24403;?#23572;奖得主化学家FrancesH. Arnold已经控制了进化,并将其用于为人类带来最大利益。

 

通过先进的计算方法研究酶的Silvia Osuna解释说:“定向进化需要对成千上万种变异进行实验测试,最终提供高活性的酶。”她相信,活性最高的酶通过合理设计产生,但与自然酶和实验室人工合成的酶相比,活性仍然较差。根据Osuna的说法,关于定向进化最有趣的事实是,?#29420;?#37238;活性位点的突变如何对酶催化活性产生巨大影响

 

只有通过分析人工进化的酶,我们才能了解这一点。在她的领域,通过计算来研究酶,可能是发现类似趋势的关键,从而更好地理解定向进化。她总结道:“计算是众多工具之一,与蛋白质先进工程、基因合成、序列分析和生物信息学一起,将帮助化学家建立一个更有针对性的酶库。”

 

定向进化的极限尚未被发现。在她最近的论文中,Arnold使用定向进化“?#24179;狻?#20102;植物酶细胞色素P450。现在,它们可以很容易地催化?#35760;?#38190;转变成更复杂的不对称碳?#25216;?/p>

 

8  从塑料到单体

Tanja Junkers说:“循环经济当然是我们的目标?#34180;?#21270;学家应该再一次从大自然中获得灵?#23567;?#22312;自然界中,所有东西都被重复利用,对合成材料,我们应该也这样做。这一策略将一举两得,从长远来看,它将解决可回收利用的问题,并为主要(聚合物)构建单元寻找合?#19990;?#28304;。

 

有些聚合物,如聚乳酸(PLA),只需加热就可以很容易地回收成单体。其他聚合物,如聚乙烯对苯二甲酸酯(PET),同样可以分解成它们最基本的单位。首先,用乙二醇处理聚合物,将长链聚合物分解成低聚物。这些小碎片在较低的温度下熔化,因此可以通过过滤除去杂质。然后,一旦物质被提纯,它就可以被完全分解成单体,然后再通过蒸馏提纯。

 

除?#21496;?#20856;化学之外,就像Arnold之前提到的酶转化方法一样,一些细菌经过进化已经可以把PET分解成碎片。当塑料是唯一的碳来源,细菌想要生存就必须适应。至少有一种Nocardia包含一种可以破坏PET中酯键的酯酶。最近,日本研究人员发现了一?#32622;?#20026;Ideonella sakaiensis的细菌,它可以在六周内分解PET塑料薄膜,这要归功于两?#26893;?#21516;的酶。然而,Junkers说:“回收是昂贵的,而且塑料世界的利润非常小,每一分钱都很重要。”化学家们正在寻找更便宜的方法来实现循环经济。此外,随着石油变得不那么丰富,塑料的价格将缓慢上涨。但是,除此之外,我们必须提高意识,清洁塑料可能更贵,但更值得。Junkers总结道:“社会必须愿意为更可?#20013;?#30340;选择支付更高的价格?#34180;?/p>

 

9  ?#26434;?#22522;聚合的可逆失活

?#26434;?#22522;聚合的可逆失活(reversible-deactivation of radical polymerization;RDRP)是20多年前发明的,它彻底改变?#21496;?#21512;物的世界。Junkers说:“这些方法都?#35272;?#20110;对几乎不可控的连锁反应施加控制的机制,这使我们能够以接近自然的精度设计聚合物。”RDRP聚合物在建筑、印刷、能源、汽车、航空?#25945;?#21644;生物医学设备等众多领域都有应用。“大多数时候,我们在使用这些聚合物时并没有意识到这一点”Junkers说:“RDRP已经成为工业化学家非常强大和有用的工具。”

 

RDRP目前仍有很大的创新空间,特别是在寻找更环保的聚合方法方面。现在有很多方法来控制RDRP过程,甚至不需要使?#23186;?#23646;,只使用光。最近,化学家们也在发展可用于流体?#20302;?#30340;RDRP,发展更环保的合成聚合物和塑料的方法。

 

最后,化学?#19968;?#25484;握了在水介质中进行聚合的过程,避免使用挥发性或危险溶剂。最新的进展表示,他们能够在几分钟内在水中获?#36152;?#39640;分子量的聚合物,同时保持对聚合物的精细控制。其中一些工作可以在非常低能量的光源下进行,甚至在某些情况下阳光就足?#21360;?#23613;管这是一种成熟的技术,但我们可以肯定RDRP将继续创新,取得更广泛?#32435;?#19994;成功。

 

10  生物3D打印

生物打印是当今最有前途的技术之一。利用3D打印机和由活细胞、生物材料、生长因子制成的3D打印墨水,化学家和生物学家已经成功地制造出与天然组织和器官几乎没有区别的人造组织和器官。3D生物打印技术可能会给诊断和治疗带来革命性的变化,因为人造组织和器官可以用于药物筛选和毒理学研究。这项技术甚至可以不需要捐献者的理想移植组织和器官。目前,科学家已经能够3D打印管状组织(心脏、尿道、血管)、粘性器官(?#35748;伲?#21644;固体?#20302;常ü趋潰?#26368;近,剑桥大学的研究人员甚至成功地用3D打印技术打印出了一个视网膜,他们仔细地将不同类型的活细胞一层层地沉积下来,得到视网膜。

 

 

化学在这个非常复杂的过程的所有步骤中起着中心作用。首先,器官和组织需要被“扫描?#20445;?#20197;便有一个计算模型。这是通过计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)等技术完成的,这两种技术通常都需要化学造影剂,如钆染料。然后,生物打印本身需要大量的化学物质?#27425;?#23450;生物墨水,触发细胞的组装,或者作为打印组织的支架。

 

最后,3D生物打印的物体需要随着时间的推移保持其结构和?#38382;剑?#36825;一过程需要物理和化学?#30899;ぁ?#27492;外,就像任?#25105;?#26893;或手术一样,人体总是?#20449;?#26021;打印组织的风险。了解细胞-细胞识别的化学过?#35752;?#35201;由包裹细胞膜的糖脂和糖蛋白决定的这一事实是减少排异反应的关键。对于高度复杂的3D生物打印技术,化学在所有交叉学科的中心,是这一边缘技术进一步发展的关键。据一些专家所说,3D生物打印技术甚至可以制造出比现有生物器官更好的新器官。

 

“化学十大新兴技术?#20445;?#19981;仅庆祝了IUPAC成立100周年,也展望了化学的未来。每一项进步都具有巨大的潜力,可确保我们社会的福祉和地球的可?#20013;?#24615;。因此,IUPAC将在未来的化学国际版面中继续展示这些新兴的化学、材料和工程技术。其目标是促进和突出化学在我们日常生活中无处不在的贡?#31069;?#28608;励新一代年轻科学家勇?#19994;?#36814;接我们面临的挑战,使他们能够通过研究、创业和创造力?#19994;?#35299;决办法。

 

化学创新将推动实现可?#20013;?#21457;展目标的变革,并最终完成IUPAC的使命:应用和传播化学知识,为人类和世界带来最大的利益。



来源:高分子科学前沿

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