纳米人-3篇Science，光催化Nature述评、Rogers院士Nature Materials丨顶刊日报20200530

3篇Science，光催化Nature述评、Rogers院士Nature Materials丨顶刊日报20200530

纳米人 2020-06-02

1. Science：Bryostatin 3的全合成

海洋天然产物中，Bryostatin family一类分子展现了广泛的药物活性类应用，但是对其药效来源的阐述仍具有难度。该类分子中含有三个6元小环组成的大环，其中bryostatin 3分子结构及其特殊，因为其中额外具有一个稠合内酯环（fused lactone ring）。在21种不同的bryostatin分子中，目前有9种不同的路线合成bryostatin分子，但是目前bryostatin 3的合成方法只有一种，并且需要多达43步过程（总步骤达到88步）。

斯坦福大学Barry M. Trost等报道了对bryostatin 3分子的合成过程，通过炔烃偶联连接三个主要组分，不对称二羟基化反应，炔丙基化反应构建了分子的立体结构。通过22步过程（总共31步）实现了bryostatin 3的合成。该合成中炔烃的应用是关键。

本文要点：

1）2-烯戊腈通过羟基化生成对应的二醇，随后和1，1-二甲氧基环戊烷反应，对醇基进行保护。随后在-78 ℃的乙醚中反应将腈转化为醛基。随后将醛基转化为烯碘键。通过在PdCl₂dppf催化中将烯碘上的C-I键转化为烯炔。对烯官能团进行羟基化，转化为对应的二醇。

2）将异丙基乙炔作为反应物，分别对炔基氢转化为TES，在异丙基碳上引入醛基，随后通过和溴乙烯乙基醚在-78 ℃的乙醚中反应加成到醛基上。在NaHSO₄中将其中的烯醇官能团水解转化为醛基，随后和Bpin取代的炔在Cu(II)/LiO^tBu催化体系中反应，在分子中构建炔基，形成双炔分子4。随后通过4和5分子中的烯、炔官能团之间加成反应（alkene-alkyne coupling）构建氧杂六元环。随后再PPTS的甲醇溶液中对分子中的羰基再次构建6元氧杂环，得到双氧杂六元环2分子。

3）2和3再Pd(OAc)₂/TDMPP催化体系中进行炔的偶联反应，随后再AuCl(IPr)/AgSbF₆催化体系中进行分子内的羟基对炔加成，构建六元烯醇环结构，随后分别通过二醇脱保护/选择性TBS羟基保护，将端基酯转化为酸，随后进行分子内酯化闭环反应，生成大环结构1分子。随后对1分子中的烯醇六元环上的烯通过环氧化/环氧键开环生成羟基/在羟基上转化为酯/对分子中的OMe/OTBS脱保护，得到最终产物。

Barry M. Trost, et al. Total synthesis of bryostatin 3，Science 2020

DOI：10.1126/science.abb7271

https://science.sciencemag.org/content/368/6494/1007

2. Science：自动化流动化学合成蛋白质，速度赶上核糖体！

化学蛋白质合成可以在蛋白质骨架的精确位置上系统整合一种或多种非天然氨基酸，从而可以进行结构功能关系研究。但是，固相肽合成（SPPS）通常限于50个残基的肽，因此，化学蛋白质合成需要天然的化学连接（NCL）反应来实现未受保护肽片段在溶液中的化学选择性偶联。这种组合的多步骤方法通常需要至少三个肽片段的合成和顺序连接才能获得蛋白质，这一过程仍然比较费力。

有鉴于此，麻省理工学院B. L. Pentelute等人报道了一种高效的化学反应，与一种自动快速流动仪器相匹配，用于直接制造长达327个连续反应的164个氨基酸的肽链。这台机器很快：肽链的延伸在几小时内就完成了。

本文要点：

1）首先使用30个残基的胰高血糖素样肽1作为测试，为每种氨基酸掺入建立了特定的最佳条件集。然后，他们将优化的程序应用于9种不同蛋白质的合成，从而建立了通过自动化快速流肽合成（automated fast-flow peptide synthesis，AFPS）技术进行总化学蛋白质合成的通用方案。与通过生物表达产生的蛋白质进行的比较分析证实，在这项研究中获得的合成蛋白质表现出相似的结构和功能。

2）除了其令人印象深刻的速度外，这项新技术还使AFPS技术可达到的肽大小极限提高了三倍。这一进展将促进未来蛋白质合成的努力，并影响多个研究领域。将AFPS技术与现有的NCL方法结合使用，可以在单个连接反应后递送> 300个残基的蛋白质。

3）此外，不难想象，对各种各样的非天然氨基酸残基进行了类似的优化工作，将其效用范围扩展到目前的范围之外，并可能产生生物方法无法获得的全非天然蛋白质模拟材料。在这方面，它不仅会赶上核糖体能力，而且会超越核糖体能力。

N. Hartrampf et al., Synthesis of proteins by automated flow chemistry. Science 368, 980 (2020).

DOI: 10.1126/science.abb2491

https://doi.org/10.1126/science.abb2491

3. Science：电信号控制细胞表达

细胞，组织和有机体等生物学分支中细胞信号传导的远程调控在制药和生物制造中有广泛应用，外部调节生物过程的方法通常需要对基因进行调控，通过正交平台在光、磁、机械力学方法能远程调控细胞。一系列不同方式的技术被用于调控细胞信号，通过对细胞作用过程的深入研究并发展了相关治疗技术，通过外部的刺激能对对单种/多种细胞过程进行离子通道、生产蛋白质、神经回路调制进行控制。

苏黎世联邦理工学院Martin Fussenegger等最近在Science上报道了通过电化学方法通过电场实现了对细胞的功能的控制，并制作了可穿戴设备，能够从生物编辑后的细胞中释放胰岛素（insulin），控制体内血糖浓度。伦斯勒理工学院Jonathan S. Dordick等对本工作在Science上进行总结报道。

本文要点：

通过对细胞编辑，实现了细胞对电化学信号的响应，受到电刺激后通过电压控制的离子通道等受体（receptor）作用。Krawczyk等通过电压控制的Ca通道（Ca_v1.2）和向内纠正的钾通道（K_ir2.1）建立完整的电路，实现了对个体胚胎肾细胞的表达，通过控制方波脉冲电压的电压值、电压脉冲时常实现。作者在1型糖尿病老鼠中成功进行了测试，发现能够对老鼠体内的血糖浓度有效控制。此外作者构建了有胰岛素分泌功能的单克隆胰腺b细胞系（monoclonal pancreatic b cell line，_Electroβ cells）与血糖脱离响应关系的体系，并在该体系中通过电信号控制，该体系能够持续工作长达数周。通过无线激发（通过互联网，不管你在何处，当监测到生理信号异常）能够控制电信号激发储存的胰岛素在数分钟内对血液中的葡萄糖浓度进行控制。

1. Matthew I. Brier, et al. Remote activation of cellular signaling，Science 2020

DOI：10.1126/science.abb9122

https://science.sciencemag.org/content/368/6494/936

2. Krzysztof Krawczyk, et al. Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice，Science 2020

DOI：10.1126/science.aau7187

https://science.sciencemag.org/content/368/6494/993

4. Nature新闻：SrTiO₃光催化剂分解水体系接近100 %量子效率

通过光能的应用分解水从中获取H₂中难以应用，这是由于催化剂的效率较低导致，目前的半导体光催化剂系统中的光转化效率普遍低于10 %，这是因为光催化系统较为复杂，并且光催化剂需要对多种性质进行优化和协同（过程包括：吸光、电荷/空穴分离、电荷/空穴传输到催化剂/水界面上、分解水）。同时一些副反应会抑制总体的转换活性和效率。

目前Kazunari Domen教授等发现了一种光催化系统，催化剂实现了接近完美的催化反应活性。萨尔茨堡大学Simone Pokrant对最近日本东京大学Domen教授在SrTiO₃光催化剂的工作进行总结和评述，并以新闻稿形式发表在最近的Nature上。

目前的半导体光催化剂系统中的光转化效率普遍低于10 %，这是因为光催化系统较为复杂，并且光催化剂需要对多种性质进行优化和协同（过程包括：吸光、电荷/空穴分离、电荷/空穴传输到催化剂/水界面上、分解水）。同时一些副反应会抑制总体的转换活性和效率。

光催化剂的表征中关键因素是内量子效率（internal quantum efficiency, IQE），理想条件是量子效率在催化反应中达到100 %。实验中通常测试得到的数据是外量子效率（external quantum efficiency, EQE）：反应得到的氢气和反应器接收到的光子之间的比值。

本文要点：

1）东京大学Domen教授对SrTiO₃这种光催化剂进行研究，这种材料是1977年首次发现并应用于光催化分解水，虽然SrTiO₃是一种只能够用紫外光进行催化的材料，但是其研究较深入，通过对其研究能够对量子效率等损失问题进行研究。
2）作者对材料中量子效率的损失过程进行研究，特别通过提高催化剂的晶化抑制电荷空穴复合过程、对催化剂进行Al掺杂从而降低材料中的缺陷浓度，特别是Ti³⁺。此外，作者通过晶面设计工程在合适的晶面上修饰Rh/Cr₂O₃共催化剂，提高生成H₂的催化反应效率，在高晶面负载CoOOH上改善催化生成O₂的效率。并且通过在Rh催化剂上负载CrO_x壳对氧还原等副反应进行抑制。通过熔盐法处理掺杂Al的SrTiO₃提高晶化程度，改善载流子传输。以上的多种方法设计实现了利用350~360 nm的紫外光外量子效率达到96 %。

1. Simone Pokrant, An almost perfectly efficient light-activated catalyst for producing hydrogen from water，Nature 2020, 581, 386-388

DOI：10.1038/d41586-020-01455-w

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01455-w

2. Tsuyoshi Takata, et al. Photocatalytic water splitting with a quantum efficiency of almost unity， Nature 2020, 581, 411-414

DOI：10.1038/s41586-020-2278-9

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2278-9

5. Nature Materials: 柔性生物电子系统材料作为慢性神经界面

可以用作长期稳定，高性能的电子记录和刺激接口的大脑和神经系统其他部分的工程系统，具有跨宏观区域的细胞水平分辨率，是神经科学和生物医学界广泛关注的问题。用于这些目的的生物相容性材料的开发和柔性植入物的设计仍然面临挑战，最终目标是达到接近常规基于晶圆技术的性能属性以及达到人类寿命的工作时间规模。美国西北大学John A. Rogers院士等人综述了作为慢性神经界面的柔性生物电子系统材料相关内容。

本文要点：

1）这篇综述总结了该领域的最新进展，重点是主动和被动组成材料，设计体系结构和集成方法，支持必要水平的生物相容性，电子功能，生物流体的长期稳定操作和体内使用的可靠性。

2）对生物电子系统进行了调查，该系统能够以高时空分辨率在大面积上进行多重电生理绘图，特别关注那些在活体动物模型中证明具有长期稳定性和在人脑尺度上可扩展到数千个通道的系统。材料科学的研究将继续为该研究领域的发展提供支持。

Song, E., et al. Materials for flexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces. Nat. Mater. 19, 590–603 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0679-7

6. Nature Commun.：了解U₃Si₂燃料和SiC包覆层之间的界面相互作用

具有碳化硅（SiC）复合覆层的二硅化三铀（U₃Si₂）燃料被认为是轻水反应堆的先进概念/耐事故燃料，因此，了解其在运行和事故条件下的化学相容性至关重要。有鉴于此，南卡罗来纳大学Vancho Kocevski等人利用扩散耦合实验支持的密度泛函理论计算，提供了U₃Si₂和SiC之间相互作用的全面理解。

本文要点：

1）从计算出的反应能中，研究人员证明了五硅化三铀（U₃Si₅）、碳化铀（UC）、U₂₀Si₁₆C₃和硅化铀（USi）相可以在界面处形成。对产生界面相U₂₀Si₁₆C₃、U₃Si₅和UC的平衡材料U₃Si₂和SiC缺陷形成能的详细研究揭示了在燃料和包覆层中产生缺陷的热力学驱动力。通过计算缺陷形成能，利用在U₃Si₂/SiC界面确定形成的平衡相，进一步研究了U₃Si₂/SiC相互作用。

2）然而，无论是U₃Si₂还是SiC相的缺失，都会导致另一相的缺陷形成能为正，从而消除了其他界面反应的驱动力。考虑到相互作用是由缺陷形成的相互扩散机制驱动的，计算出的缺陷形成能为理解和预测原子尺度上的行为提供了一种方法。

3）对U₃Si₂和SiC相容性的研究包括将U₃Si₂燃料暴露在远高于可能工作温度的SiC中，模拟严重的事故条件，确保相互作用，从而可以对界面区域进行全面表征。关于温度依赖性，所描述的相互作用需要在U₃Si₂和SiC中形成空位，而空位需要足够的能量进行扩散，这解释了在1000 °C时，在扩散耦合中没有观察到任何相互作用。DFT分析表明，在1200 °C的较高温度下，在界面处观察到U₃Si₅、UC、U₂₀Si₁₆C₃和USi相，这是相互扩散受限的结果。由此导致的U₃Si₂和SiC之间缺乏持续的相互作用，反映了缺陷形成的驱动力递减，证明了这种燃料包覆层系统的稳定性。

Vancho Kocevski, et al. Understanding the interface interaction between U₃Si₂ fuel and SiC cladding. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 2621.

DOI: 10.1038/s41467-020-16435-x.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16435-x

7. Chem. Rev.：电催化N₂还原制氨的研究进展及面临的挑战

2016年，全球氨产量达到1.75亿吨，其中90%由高纯度N₂和H₂气体在高温高压下通过Haber-Bosch工艺生产。依靠天然气生产氢气导致大量的能源消耗和二氧化碳排放。电催化N₂还原制氨是一种很有吸引力的替代方法，它可以在较温和的条件下实现氨的合成。有鉴于此，密歇根州立大学Milton R. Smith III与Thomas W. Hamann等人综述了电化学固氮的理论和实验研究，重点介绍了电化学固氮的低选择性。

本文要点：

1）研究人员首先简要介绍了电化学N₂还原的热力学和机理。讨论了电化学合成氨的选择性、挑战和提高选择性的策略。介绍了测定氨生成量的各种分析方法，讨论了痕量氨的测量难点和控制实验的重要性，为电化学合成氨的准确、可靠测量提供了一种通用方法。

2）此外，还着重于讨论了使用理论计算来筛选N₂还原电催化剂，讨论了利用密度泛函理论(DFT)计算来解释从一种催化剂到另一种催化剂的催化活性的变化趋势，以及设计提高活性和提高选择性的新催化剂的方法。

3）同时，概述了使用介体（例如锂）将N₂还原为氨的实验研究。使用锂作为介体可达到接近90％的法拉第效率，并且氨的生成速率不再受N₂直接电子化和质子化反应的缓慢动力学限制。

4）研究人员还介绍了电化学还原N₂在低温(T<100 ℃)、中温(100 °C<T<500 °C)和高温（500 °C<T）下的实验进展，包括N₂在水溶液(酸性、中性或碱性)、三相边界和非水溶液中的电化学还原。通过提高反应温度可以实现更快的反应动力学；然而，电化学产生的氨可能在高温下分解，需要从反应釜中快速去除氨产物。

Geletu Qing, et al. Recent Advances and Challenges of Electrocatalytic N₂Reduction to Ammonia. Chem. Rev. 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00659.

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00659

8. Chem. Soc. Rev.: 生物质衍生的糠醛和5-羟甲基糠醛制备最新催化路线

呋喃是在非食用木质纤维素生物质转化为生物化学物质和燃料中最重要的中间体种类之一。目前，生物呋喃衍生物通常是通过生物质的纤维素和半纤维素组分通过其相对的C6-C5糖的酸催化脱水而获得的，然后转化为多种产品。糠醛(FUR)和5-羟甲基糠醛(HMF)无疑是使用最多的呋喃基原料，因为它们的化学结构允许制备各种高附加值的化学品。在几种公认的催化方法中，氢化和氧化过程已被有效地用于提纯呋喃，然而这通常需要苛刻的反应条件。

有鉴于此，地中海大学的F. Mauriello和科尔多瓦大学的R. Luque等人，讨论了由非均相催化体系促进的非常规（转移氢化，光催化和电催化）催化过程中生物质衍生的FUR和HMF的转化。

本文要点：

1）重点介绍了FUR和HMF的制备及其非常规催化升级为增值化学品的最新进展。分析并比较了各种非均相体系在提高催化活性和提高产物选择性方面所采用的反应条件、化学性质和物化性质。同时，还概述了以木质纤维素和生物质加工过程中产生的废弃物和副产品为原料，采用新型环保工艺生产FUR和HMF的最新研究成果。

2）在还原和氧化升级方面，近年来非常规催化路线得到了探索，在转移加氢(CTH)、电催化(ECR)和光催化(PCR)方面取得了巨大进展。通过使用可再生的液态有机分子（短链脂族醇，甲酸和硅烷）作为绿色和良性的氢供体分子，FUR和HMF可以在单金属和双金属多相非均相催化剂上还原成糠醇，2-甲基呋喃和2,5-二甲基呋喃。在这方面，使用廉价的氧化锆基催化剂和非均质沸石/金属-有机骨架的非贵金属体系也获得了优异的结果，表明在适当的反应条件下，FUR和HMF可直接转化为g-戊内酯（另一重要生物衍生的分子，具有许多实际应用）和有价值的C8–C12燃料添加剂。

3）利用创新的和对环境影响小的技术，高效生产生物呋喃仍然需要科学界和工业界做出大量努力，以增加FUR和HMF的产量，同时也促进其分离和纯化。从生物质的化学催化处理过程中获得的废物和副产物（例如腐殖质）开始，制备FUR和HMF无疑是一种有趣且可行的方法。迫切需要发现涉及非均相催化材料，适度的反应条件和绿色溶剂系统的新颖方法。对MOF在这类反应中的潜力的更深入了解，以及对光催化可能性的认识，可能是未来几年中重要的研究方向。

C. Xu et al. Recent catalytic routes for the preparation and the upgrading of biomass derived furfural and 5-hydroxymethylfurfural. Chem. Soc. Rev., 2020.

DOI: 10.1039/D0CS00041H

https://doi.org/10.1039/D0CS00041H

9. Acc. Chem. Res.：分子内交联聚合物结构及其作为人造抗体和人造酶的应用

聚合物的交联会极大地改变它们的物理性质，进而拓展其应用的范围。在日常生活中，聚合物网络也普遍存在于例如软性的隐形眼镜、汽车轮胎、搪瓷涂层和高性能粘合剂等材料中。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Steven C. Zimmerman教授对该团队发展的分子内交联大分子化学研究进行了综述介绍和回顾。

本文要点：

1）树状大分子是研究分子内交联的一个很好的起点，它们可以通过末端基团的闭环反应进行交联。而这种应用于树状大分子的通用策略也可以用于星形聚合物和超支化聚甘油等，并且这一分子交联的过程也十分类似于分子印迹聚合物的组装过程。

2）有鉴于此，该团队开始探索交联的树状大分子的应用。研究发现，共价或非共价聚合物的交联与蛋白质折叠形成的三维结构有相似之处，因此其有望作为一种人造抗体或人造酶。该团队通过一系列的研究证明这些聚合物人造酶在活细胞内进行点击反应，并能与其他的生物催化剂进行同步或串联催化。最后，作者也对这类具有独特功能的大分子的发展前景进行了展望和讨论。

Junfeng Chen. et al. Intramolecularly Cross-Linked Polymers: From Structure to Function with Applications as Artificial Antibodies and Artificial Enzymes. Accounts of Chemical Research. 2020

DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00178

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.0c00178

10. Joule：高效聚噻吩：非富勒烯有机太阳能电池的优化要求

聚噻吩（PT）及其衍生物因其低成本和高合成规模而备受有机光伏界的长期关注。但是，由于缺乏控制形态和匹配材料的合理指导方针，到目前为止，基于PT的功率转换效率（PCE）通常低于10％。天津大学Long Ye和Miaomiao Li等人基于各种非富勒烯受体（ITIC-Th1，ITIC，IT4F，IDIC和Y6）和名为PDCBT-Cl的PT衍生物，首次建立了二元共混物的混溶性，形态和器件性能之间的关系。

本文要点：

1）得益于适当退火的混合相，PDCBT-Cl：ITIC-Th1系统显示出超过12％的最佳效率。相反，由于PDCBT-Cl和“明星”受体Y6的高混溶性，它们的混合物保持均质状态，PCE只有0.5％。

2）还提出了具体准则来弥补PDCBT-Cl：Y6的性能，这对于提高其实际应用至关重要。强调了使用物理参数排除低性能对和筛选有前景的PT。这种方法将加速低成本，高效率的非富勒烯太阳能电池的开发，并将适用于更多的OPV系统。

Ziqi Liang et al. Optimization Requirements of Efficient Polythiophene: Nonfullerene Organic Solar Cells, Joule, 2020.

DOI: 10.1016/j.joule.2020.04.014.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.04.014

11. AM: 基于瞬态结构各向异性的水凝胶可编程可逆形状转化

刺激响应的形状转换水凝胶已经显示出对各种工程应用的巨大潜力，包括软机器人和微流体。尽管在设计具有更复杂的形状变形行为的水凝胶方面取得了重大进展，但尚未实现的最终目标是可编程可逆形状变换。于此，浙江大学潘鹏举、赵骞等人报道可以将瞬态结构各向异性编程到N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸硬脂基酯的共聚物水凝胶中。

本文要点：

1）结构各向异性是由热机械编程后硬脂基基团的变形疏水域引起的，该结构域用作聚（N-异丙基丙烯酰胺）链的可逆球状至线圈转变的模板。

2）结构各向异性是瞬态的，冷却后可以消除。这允许重复编程以实现可逆的形状转换，这是当前水凝胶的未知功能。可编程的可逆转换有望大大扩展基于水凝胶的设备的技术范围。