2014年化学领域重要成果回顾
2014已经翻过，来自世界各地的化学工作者们在过去的一年中做出了哪些精彩的发现？美国化学会主办的化学化工领域著名新闻媒体《化学化工新闻》从年内诸多报道中精选出十项重要的科研成果，与我们一同分享化学学科各个领域的重要进展。
元素周期表：氧化态的新纪录在铱的化合物中实现 氧化态表示化合物中某种原子被氧化的程度。在2014年之前，已知的化合物中氧化态最高为+8，仅存在与钌、铱、氙等少数元素的化合物中，而其中的铱尤为特别，因为理论上它还可以被继续氧化，达到+9的氧化态。今年，来自德国、加拿大和我国复旦大学、清华大学的研究人员通过紧密合作，成功地将理论预测变成了现实。他们从铱的单质出发，通过气相反应，成功制备出了四氧化铱正离子(IrO4+)。在这种离子中，铱元素的氧化态达到了+9，这是迄今氧化态的最高纪录。 显微镜技术：第一张氢键的显微镜照片受到质疑氢键是分子间的一种特殊的相互作用，它的强度介于共价键和范德华力之间。氢键广泛参与到许多重要的现象——特别是生命现象中，因此对于氢键的研究具有重要的意义。在2013年，来自我国的一个研究组曾利用原子力显微镜观察到8-羟基喹啉这种分子之间的氢键，这是首次直接观察到氢键，因此引起了广泛关注。然而在今年，来自芬兰和荷兰的研究人员在《物理评论快报》上发表论文，对于这项研究提出质疑。他们利用原子力显微镜观察了二（4-吡啶基）乙炔这种分子的四聚体。在四聚体中，相邻两个分子的氮原子之间没有任何氢键作用，但是他们也观察到了类似的“氢键” 结构。因此，他们认为此前报道的氢键图像可能仅仅是原子力显微镜扫描样品过程中产生的假象。这项研究提醒相关人员，在利用显微技术观察纳米尺度的物体时必须加倍小心。
左：低温下铜表面的8-羟基喹啉的原子力显微镜照片，黑色区域显示存在氢键；右：二（4-吡啶基）乙炔的四聚体的原子力显微镜照片。尽管这种分子相互之间不存在氢键作用，图片上仍然显示出类似的“氢键” 结构。
材料科学：石墨烯出乎意料的新性质 石墨烯是由碳原子组成的只有一个原子厚度的薄膜，通常被称为二维材料。自从2010年诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004年首次成功分离石墨烯以来，石墨烯的研究成为了一个相当热门的领域，人们希望这种新型材料能够在许多应用中取代传统材料。在2014年，关于石墨烯的一些新的研究让人们对这种新型材料有了更加深入的认识。其中一项研究表明，石墨烯的化学性质可能并不像人们此前认为的那样稳定。目前制备石墨烯常用的一种方法是先将石墨氧化得到氧化石墨，再将其还原。来自美国的研究人员发现，用这种方法制备的石墨烯在紫外线照射和二氧化钛纳米颗粒催化的条件下能够迅速分解成二氧化碳和水。另一项研究则表明，尽管此前研究人员认为各种原子或者分子很难通过石墨烯，质子却可以很好地穿过它。因此石墨烯有可能被用于燃料电池中传导质子的薄膜。 计算化学：通过模型促进实验 在2014年，研究人员朝着计算化学的终极目标——利用理论来发现新的化学反应——又迈出了坚实的一步。来自美国斯坦福大学的研究人员开发出一种被称为“从头计算的纳米反应器”（ab initio nanoreactor）的计算化学新体系。在虚拟的环境中，这种“纳米反应器”将反应物的分子混合并压缩到一起，之后运用量子力学方法计算反应过程和反应产物。利用这种方法，研究人员预测出了一些化学反应的产物，这些化学反应由于需要高温高压，目前尚不能在实验室中验证。虽然这种新的计算化学体系还需要进一步的改进，它仍然是计算化学领域的一项重要进展。
有机合成：盐能够影响根岸偶联反应的进行 根岸偶联反应( Negishi cross-coupling)由日本化学家、2010年诺贝尔化学奖获奖者之一根岸英一发现，指卤代烷与有机锌试剂在过渡金属催化下形成新的有机化合物的反应。根岸偶联反应自从1977年被发现以来，已被用于合成许多重要的有机物。来自加拿大的研究人员经过十余年的研究发现，诸如氯化锂这样的无机盐能够显著影响根岸偶联反应的进行。根据有机锌试剂结构的不同，反应在一些情况下必须在有无机盐存在的情况下才能进行，另外一些情况下不需要无机盐参与就可以顺利完成，还有一些情况下，无论是否存在无机盐，反应都不能发生。研究人员解释说，根岸偶联反应要想正常进行，有机锌试剂与溶剂的极性必须匹配，而添加无机盐可以帮助实现这一目标。这项研究可以帮助研究人员更好地控制反应的进行，减少不必要的副产物的产生。
无机盐对于根岸偶联反应的影响：左上：当有机锌试剂与两个脂肪烷基相连时，无论有无无机盐存在，反应均无法进行；右上：当有机锌试剂与两个芳香基相连时，反应不需要添加无机盐即可进行：下：当有机锌试剂与一个脂肪烷基或芳香基和一个卤素原子相连时，反应必须在有无机盐存在的情况下才能发生。 纳米技术：制备高纯度的碳纳米管 单壁碳纳米管被认为在许多领域都有着潜在应用，但长久以来，制备高纯度的碳纳米管是一项亟需解决的难题。目前常用的方法通常只能得到许多尺寸与手性各不相同的碳纳米管的混合物，从而影响到碳纳米管的导电性能。今年，两个研究小组分别在高纯度碳纳米管的制备方法上取得重大突破。北京大学李彦教授及合作者用钨-钴合金的纳米晶体作为“种子”，在高温下引导碳纳米管的生长。利用这种方法，他们将碳纳米管的纯度从55%提高到了92%。来自德国和瑞士的研究人员则利用多环芳香烃作为合成碳纳米管的原料。在高温下，这些芳香烃分子发生折叠和延伸，形成碳纳米管。通过这种手段，他们能够每次得到单一的一种碳纳米管。
处在铂表面的多环芳香烃被加热时会发生折叠形成碳纳米管。通过这种方法，研究人员可以很好地控制碳纳米管的尺寸。 合成生物学：细菌接受了扩展遗传密码腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）以及鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）是我们熟知的DNA中的两对四种碱基。地球上的所有生物都利用这四种碱基来编组遗传密码从而控制蛋白质的合成。在2014年，来自美国斯克里普斯研究所的科学家们将含有d5SICS和dNaM这一对并非天然存在的碱基的DNA引入了活的细菌体内，并发现含有新碱基的DNA能够在细菌体内正常复制。这一对新的碱基不像A-T和G-C碱基对通过氢键相互作用，而是通过疏水作用相结合。虽然含有新的碱基对的DNA已被证实能够在体外指导蛋白质合成，在生物体内的复制还是首次报道。如果含有新碱基对的DNA能够在生物体内被转录为信使RNA，未来我们将有可能利用它来合成新的蛋白质结构。
上：人工合成的d5SICS-dNaM碱基对的化学结构；下：如果DNA的碱基从2对4种扩充到3对6种，密码子可能的组合将从64增加到216，因此有可能将一些新的氨基酸分子引入到蛋白质中。 精确测定蛋白质等生物大分子的结构向来是X射线衍射的专利，但是在今年，来自英国剑桥分子生物学实验室的几位研究人员首次仅仅凭借电子显微镜就确定了蛋白质的结构。通过改进电子显微镜技术，他们成功获得了酵母菌的线粒体核糖体大亚基的图像，分辨率为3.2埃（1埃是1纳米的十分之一，1米的百亿分之一，原子半径一般在1埃左右）。由于不需要像X射线衍射那样需要复杂繁琐的纯化和结晶过程，新的电子显微镜技术有望帮助研究人员更好地了解生物大分子的结构。
酵母菌的线粒体核糖体大亚基的超高分辨率电子显微镜照片。蓝色、红色和黄色标出的结构分别表示与细菌的核糖体相同的结构、与哺乳动物线粒体核糖体相同的结构和酵母菌独有的结构。 高分子科学：具有手性的新型塑料 来自美国康奈尔大学的研究人员开发出一种新型的含有金属钴的化合物，它能够催化丁二酸酐和环氧丙烷这两种分子相互反应得到聚合物。环氧丙烷分子具有手性，也就是说它实际上具有两种不同的结构，它们像人的左右手一样互为镜像却不能重叠。当环氧丙烷与丁二酸酐在这种新型催化剂作用下生成高分子时，手性得到了保持，也就是说我们可以得到两种互为镜像的高分子。有趣的是，这两种高分子材料各自的熔点都是79 oC，但按照1：1的比例互相混合后，由于特殊的相互作用，熔点却升高至120 oC，而且结晶速度也大大加快，这些都非常有利于塑料制品的生产加工。另外这种新型的塑料能够被生物降解，而且丁二酸酐和环氧丙烷都是常见的化工原料，因此很有希望在不久的将来获得大规模的应用。太阳能电池：钙钛矿型太阳能电池继续取得进展 太阳能电池一直被视为重要的可再生能源形式。目前已经商业化的硅太阳能电池能够将25%左右的太阳能转化为电能，但是造价昂贵。基于高分子等材料的太阳能电池较为廉价，但是转化效率只有10%左右。近年来，一种新型太阳能电池——钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells)受到了研究人员的广泛关注。钙钛矿型太阳能电池并非使用钙钛矿(CaTiO3)，而是指用来转化太阳能的物质具有通式为ABX3的化学组成，并且晶体结构与钙钛矿类似，它兼具了成本低廉和能量转化效率高的优点。目前钙钛矿型太阳能电池最常用的材料为(CH3NH3)PbI3。今年早些时候，有报道表明钙钛矿型太阳能电池的转化效率已经达到16%，而在今年年底，已经有研究人员实现20%的转化率。由于含铅化合物具有一定的毒性，美国西北大学的研究人员提出用锡代替铅得到的类似化合物同样可以用于生产钙钛矿型太阳能电池。同样在今年，来自英国牛津大学的研究人员发表论文称，碳纳米管和高分子形成的复合材料能够有效提高钙钛矿型太阳能电池的稳定性。
左：钙钛矿型太阳能电池的结构示意图，从下至上分别为透明电极、二氧化钛层、具有钙钛矿型结构的导体层和另一电极；右：钙钛矿型太阳能电池纵截面的电子显微镜照片
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