第三次活动

2020年7月18日、19日,BNUchem-ugjc分两次进行了第三次活动。

7月18日由卢中伟、郝赫、李昊三位同学进行讲解。

卢中伟同学讲解了1991年发表在Nature上的关于纳晶染料敏化太阳能电池的第一篇文章。文章的通讯作者,瑞士洛桑联邦理工学院(École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL)的Michael Grätzel教授是染料敏化太阳能电池(Dye sensitized solar cell)的发明者与领军人物。染料敏化太阳能电池通过染料受光激发,将电子与空穴注入电极从而实现光电转换。与传统硅太阳能电池在p-n结上通过光生伏打效应捕获光子不同,染料敏化太阳能电池的光子捕获单元与电荷载体单元分离,可有效减少由光生电场引起的重组损失。同时染料成本较低,因此可大幅简化太阳能电池生产工艺,降低成本,同时易于制备性能较好的薄膜太阳能电池。染料敏化太阳能电池已成为化学材料研究的大热门,性能不断有新突破。
原文链接:https://www.nature.com/articles/353737a0
本文已被引超过2万次,另有引用被引超过3万次。

Figure 1 染料敏化太阳能电池工作示意图

李昊同学介绍了一种检测NO的荧光探针。
心力衰竭等心血管疾病已成为人类健康的公敌。心衰的一个诱因是心肌纤维化(Myocardial fibrosis),但机理仍待探究。一氧化氮(NO)在心肌纤维化中有重要作用,但具体作用尚不明确。实时监测一氧化氮,揭示心肌纤维化的分子机制,将更好地帮助我们治疗心衰。
本文作者设计了一种哒嗪酮为荧光团,邻苯二胺作为NO响应基团,利用光诱导电荷转移机理发光,以烷基吗啉靶向作用于溶酶体的NO荧光探针,解决了当前荧光探针无法监测心肌纤维化中NO变化的难题。该探针有良好的选择性,检出限达到百纳摩尔(163/242 nM)级别,并且能很好地在心肌细胞中进行成像。
原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.9b05435

Figure 2 两种荧光探针的分子结构

郝赫同学基于2005年一篇Nature Chemical Biology上的综述,简要介绍了化学生物学的一个重要研究方向——由斯坦福大学(Stanford University) 化学系教授Carolyn Bertozzi创立的生物正交化学(Bioorthogonal Chemistry)。
生物正交化学是Bertozzi教授在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)任教期间创立并拓展的化学生物学的一个重要分支。与生物兼容性(biocompatibility)相对应,具有生物正交性的外部操作不会影响正常细胞代谢,这对生物成像与代谢追踪非常重要。生物正交反应一般分为两步。对于要研究的目标,我们首先为之引入羰基、叠氮基、炔基等可后续反应的基团,之后通过羰基反应,Click Reaction等方法在引入的基团上接入标记分子,这样就可以进行不干扰细胞正常代谢的标记。
原文链接:https://www.nature.com/articles/nchembio0605-13

Figure 3 生物正交化学示意图

7月19日由苏世龙、刘屹然、贾昊源三位同学进行讲解。

苏世龙同学讲解了今年7月8日刊登在Nature上引起广泛关注与讨论的化学机器人的工作。英国利物浦大学(University of Liverpool)化学系的Andrew Cooper教授课题组报道的可以自己做实验的“机器人化学家”。
本文的机器人通过自己内置的贝叶斯优化算法,通过8天内的668次实验,成功优化了一种光催化剂的反应条件,将光催化剂的催化性能提升了约6倍。这台机器人可以利用实验室中专门设计的仪器,自主在实验室中穿行,准备反应、进行反应、并用气相色谱检验实验结果,并自己决定下一步的实验条件。整个过程,人只需提供一些反应瓶架等物品。这篇工作展现了极强的系统设计、整合能力,综合了机器学习,设备控制、嵌入式开发、自然语言处理等等技术,有望大量节省人力时间,为未来实验室的设计和实验化学的开展提供了新的思路。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2442-2

Figure 4 化学机器人照片

刘屹然同学继续对EDA Complex进行更深入的讲解。
上周,刘屹然同学介绍了EDA Complex的基本概念和离去基团辅助的EDA Complex在光催化中的应用。本周他着重介绍了借助还原辅助基团(redox auxiliary)进行的EDA Complex光催化反应。还原辅助基团是一种特殊的离去基团,它不仅作为离去基团推动催化反应的平衡向产物方向移动,它同样作为电子受体中接受电子的单元,形成带负电的自由基离子对后,它的离去产生了参与后续反应的自由基。这类Redox Auxiliary通常是芳香性基团,可以接受电子,也很容易离去。刘屹然同学通过芳香基Redox Auxiliary作为Acceptor,用三乙基胺和Hantzsch酯类作为Donor的三篇文献介绍了这种策略在光催化烷基化、光催化环化反应中的应用。
原文链接:
Leonori 氮中心自由基:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201507641
陈以昀研究员生成烷氧自由基的文章:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201707171
Aggarwal教授吡啶活化一级胺光诱导单电子转移:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201814452

Figure 5 Redox Auxiliary策略示意图(图片来自于第二次活动EDA综述)

贾昊源同学首先介绍了西北大学两位著名教授,2016诺贝尔化学奖获得者Fraser Stoddart教授和无机材料大牛Jeffrey Snyder教授的研究方向与最近工作。之后,他介绍了一篇麻省理工学院化学系Bradley Pentelute教授刊登在Nature Chemical Biology上的一篇流动化学多肽合成的技术。
流动化学(Flow Chemistry)是近年来非常流行的一种自动化合成技术。本文报道的多肽合成技术基于Merrifield多肽合成技术,形成一个Fmoc酰胺键只需7秒,而在多肽链上接入一个氨基酸只需40秒。氨基酸溶液一直不停地被冲进反应器,又被冲出,从而实现“流动的效果”,根据紫外检测器可以检测Fmoc基团的流出。文中的测试平台只需人工输入多肽链顺序,即可在20-30分钟内合成人工批量合成30h才能得到的生长激素释放激素和胰岛素B链,而市售产品需要6周才能得到。该平台在合成Jung–Redmann (JR) 10-mer peptide这一复杂多肽上同样表现出色。该平台还能通过控制流动速度控制等消旋(一半构型发生转化),这在实际应用中有种重要作用。
原文链接:https://www.nature.com/articles/nchembio.2318

Figure 6 AFPS图片

活动的最后,活动成员就前三次活动的效果,以及存在的问题,今后的调整方向进行了讨论。

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