农药快讯:2019年第21期
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纳米农药居化学十大新兴技术之首
更新时间:2019-11-13 点击量:674

  2019年是化学领域非常特殊的一年,是国际纯粹与应用化学联合会(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委员会不断检测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·哈伯获得了诺贝尔奖,这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持续的未来做出贡献?因此,IUPAC在庆祝过去的同时,也在展望未来。“化学十大新兴技术”的确定是为了更广泛地宣传化学和相关科学的基本价值,并确定了有可能改变我们对世界的认知。

 

  IUPAC招募专家从全球化学家提交的候选名单中选出了“化学十大新兴技术”。评选组认为这些新兴技术介于“新的科学发现和完全商品化技术”之间,有潜力成为21世纪的重大化学突破,甚至于改变世界,使地球可持续发展。这些化学科学的新进展,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,并庆祝它们改变了我们的生活和世界。

 

纳米农药

  世界人口仍持续增长,一些预测显示,到2050年,人口数量将接近100亿。养活这么多人需要不断加大农业生产,同时保持作物的可持续性,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。量身定制的纳米传递系统也可能成为农民的一个伟大工具,因为它最终能够帮助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”相对于传统农药替代品的优势和风险。而在大多数情况下,纳米农药的效果并没有显著提升。但一些研究表明,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它们应用潜力的原因,希望证明这项技术仍然有前景。加拿大的Vive Crop可能是最好的例子,它销售的产品比非纳米的商业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,将各种纳米封装的杀虫剂和杀菌剂商业化。对于未来成功的、更可持续的新型农业来说,纳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农用化学品。

 

对映选择性有机催化

  化学家总是受到大自然的启发。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,并迅速成立国际专家协会,为非金属催化提供更多的思路”。

 

  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。Paolo 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”。

 

  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,于是他们精心设计了手性碳-碳键的方法,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。

 

  化学家们也开发出了更好的回收催化剂的方法,如Ben List将催化剂固定在像尼龙这样的固体基质上。Paolo Melchiorre还强调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。比如光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,通过不对称有机催化合成精细化学品和药物的尝试,现在工业已经扩大了。

 

固态电池

  早在19世纪固态电池就被先驱化学家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,储存能量更多,在高温下性能更好。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,比如几年前三星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公司已经开始制造基于聚合物的固态电池并商业化,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。对于大多数应用来说,这项技术还需要几年的发展。

 

流动化学

  化学是实现联合国可持续发展目标(United Nations Sustainable Development Goals;SDGs)的关键,SDGs为所有人在2030年前实现更美好、更可持续的未来提供蓝图。其中,流动化学(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,提高了产率,既防止了危害,又降低了对环境影响。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,麻省理工学院(MIT)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有抵御有机锂化合物等危险试剂的潜力。Merck公司的化学家们成功地合成了一种用于治疗第三阶段阿尔茨海默症100千克级的候选药物——verubecestat的前体;环丙沙星(一种基本抗生素)的流动化学合成;由Pfizer公司开发的自动流体系统,这种系统每天能够分析多达1 500种反应条件,加速发现新药和现有药物的最佳合成路线。

 

反应挤出

  与流动化学一起出现的是反应挤出,这是一种允许化学反应在完全无溶剂条件下发生的技术。由于消除了潜在有毒溶剂的使用,这一过程对环境十分友好。但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程进行彻底的重新设计。虽然反应挤出已被聚合物和材料领域的专家广泛研究使用,但直到现在,其它领域化学家们才开始挖掘它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挤出技术甚至可以允许这些无溶剂在流动装置中进行反应。同样的,系统的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——氨基酸、腙、硝基和肽,并且已经实现了一些非常经典的有机反应(如铃木偶联和点击化学),但是除了聚合物,在反应挤出条件下的例子仍然很难找到。然而,案例越稀缺,希望越巨大。Biotech公司报道了具有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首例。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挤压形成的金属有机框架(MOFs)和离散金属配合物,打开了通向更清洁和更可持续的无溶剂化学的大门。

 

6  MOFs和用于集水的多孔材料

  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,而且预计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(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时,Omar Yaghi偶然发现了它们从大气中捕获水分的巨大潜力。Omar Yaghi解释说:“当我们研究燃烧后的气体被MOFs捕获的行为时,注意到一些MOFs表现出与水分子独特的相互作用。”于是,他们想知道是否有相同的材料能够在干旱气候条件下从大气中捕获水分,然后能收集并释放水分。Omar Yaghi说:“这项技术是独一无二的,因为它可以从干燥的沙漠空气中获取足够饮用量的纯净水,除了自然光以外,不需要任何其它能源。”在湿度低至20%的情况下,1 kg的MOFs每天可以收获2.8 L水。在开发更大容量、更便宜的集水材料的同时,Omar Yaghi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刺结构的仿生多孔表面。Omar Yaghi认为它们中的大多数在低湿度空气中吸收水分不如MOFs有效。进一步的研究可以探索所有的可能性,并找到最佳的解决方案,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。

 

选择性酶的定向进化

  酶的直接进化获得了2018年诺贝尔化学奖。通过定向进化产生的酶可用于制造从生物燃料到药品的一切东西。诺贝尔委员会称,2018年诺贝尔奖得主化学家Frances H. 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,最终筛选高活性的酶。”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Silvia Osuna的说法,关于定向进化最有趣的事实是,远离酶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,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,Frances H. Arnold使用定向进化“破解”了植物酶细胞色素P450。现在,它们可以很容易地将碳氢键催化转变成更复杂的不对称碳碳键。

 

从塑料到单体

  Tanja Junkers说:“循环经济当然是我们的目标。”化学家应该再一次从大自然中获得灵感。在自然界中,所有东西都被重复利用,对合成材料,我们也应该做到这一点。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,并为主要聚合物的构建单元寻找合适来源。

 

  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),同样可以分解成基本单位。首先,用乙二醇处理聚合物,将长链聚合物分解成低聚物,并在较低的温度下熔化,因此可以通过过滤除去杂质。一旦物质被提纯,聚合物就可以被完全分解成单体,然后再通过蒸馏提纯。

 

  除了经典化学之外,就像Frances H. Arnold之前提到的酶转化方法一样,一些细菌经过进化可以把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(诺卡氏菌属)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种名为Ideonella sakaiensis的细菌,它可以在6周内分解PET塑料薄膜,这要归功于2种不同的酶。然而,Tanja Junkers说:“回收是昂贵的,而且塑料的利润非常小,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,虽然清洁塑料可能更贵,但更值得。Tanja Junkers总结道:“社会必须愿意为更可持续的未来选择付出更高的代价”。

 

可逆-失活自由基聚合

  可逆-失活自由基聚合(reversible-deactivation of radical polymerization, RDRP)是20多年前发明的,彻底改变了聚合物的世界。Tanja Junkers说:“这些方法都依赖于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、航空航天和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”,Tanja 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,甚至不需要使用金属,只需要光。最近,化学家们也在发展可用于流体系统的RDRP,发展更环保的合成聚合物和塑料的方法。

 

  最后,化学家还掌握了在水介质中进行聚合的过程,避免了使用挥发性或危险溶剂。最新的进展表明,他们能够在几分钟内从水中获得超高分子量的聚合物,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矣。尽管这是一种成熟的技术,但我们可以肯定RDRP将继续创新,取得更广泛的商业成功。

 

10  生物3D打印

  当今生物打印是最有前途的技术之一。化学家和生物学家利用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,已经成功地制造出几乎与天然组织和器官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)、黏性器官(胰腺)和固体系统(骨骼)。最近,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”,以便有一个计算模型。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来稳定生物墨水,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形式,这一过程需要物理和化学刺激。此外,就像任何移植或手术一样,人体总是有排斥打印组织的风险。了解细胞间识别的化学过程——主要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,化学作为所有交叉学科的中心,是这一边缘技术进一步发展的关键。根据一些专家所说,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”的确定不仅庆祝了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,确保我们社会的福祉和地球的可持续性。因此,IUPAC将在未来的化学国际版面中继续展示新兴的化学、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献,激励新一代年轻科学家勇敢地迎接我们面临的挑战,使他们能够通过研究、创业和创造力找到解决办法。

 

  化学创新将推动实现可持续发展目标的变革,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)

 

农药快讯, 2019 (21): 9-12.


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