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  2019年對化學人來說是個非常特殊的年份。大名鼎鼎的國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）迎來了自己100周年的生日；同時，今年是門捷列夫首次發表元素周期表150周年，聯合國也將今年定為“國際化學元素周期表年”，簡稱“IYPT 2019”。在這個特殊的年份里，IUPAC特意向全球化學家征集意見并最終評選出了10項最有可能改變人類社會的化學創新。讓我們一睹為快吧。

1. 納米殺蟲劑

  民以食為天。世界人口不斷增長的背景下，農業安全顯得格外重要。有預測表明到2050年，地球上將生活近100億人口。為了增加農作物產量，同時最大限度地減少土地利用對環境造成的破壞，新型殺蟲劑的發展勢在必行。火熱的納米技術在這方面有可能大有作為。相比于傳統的殺蟲劑，納米材料包封的殺蟲劑在提高藥效的同時，更有針對性。以更小的用量達到殺死害蟲的目的，并且不會傷害其他動植物或人類。目前一些納米殺蟲劑在實驗室中表現良好，但仍需要更多田間試驗進一步評估。加拿大Vive Crop公司是該領域的先行者，他們銷售的產品比傳統殺蟲劑具有更好的吸收性和更少的環境影響。此外，該公司最近還獲得了美國環境保護局的批準，將各種納米包封的殺蟲劑和殺菌劑商業化。

2. 對映選擇性有機催化

  對于年輕的化學家，有機催化可能是個常見的概念，但其實它最早誕生于20世紀90年代后期，是一個年輕的研究方向。傳統的催化劑多為金屬，成本較高，尤其是貴金屬。而大自然則聰明得多，自然界的酶催化反應高效、環保，化學家很想學習一下，于是有機催化的概念應運而生。經過二十多年的發展，有機催化劑已經有了長足的進步。不過仍然有化學家批評它用量大且難以回收，不夠“綠色”。誠然，從催化效率上來說，有機催化劑還無法與金屬催化劑媲美，但它的成本低得多；而且有機催化的反應類型也比金屬催化更為豐富，具有更大的發展空間。例如光氧化還原催化的引入，光活化使得醛類與烯胺的烷基化反應成為可能，這種反應不能用經典的有機催化方法完成。一些高附加值的精細化工品和藥物的合成中已經大量使用有機催化劑了。在回收方面，化學家也想出了不少好辦法。比如，將有機催化劑固定在穩定的固體基質上，就像多肽固相合成，就能輕松實現催化劑的回收。

3. 固態電池

  很多人小時候都拆過電池玩，干電池切開會流出黑乎乎的液體，其實是混了石墨的電解液。不管是干電池，還是鉛電、鋰電，主要都用液體電解質，統稱為液態電池。而固態電池則與之不同，使用固態電解質。早在19世紀，電化學先驅邁克爾-法拉第就提出了固態電池的概念，不過直到近年它才接近商業化。相比于液態電池，固態電池更輕、能量密度更高、不易燃更安全。如果我們的手機換上固態電池，會變得更輕薄，更耐用，而且不會出現某星產品那樣的爆炸事件。由于導電聚合物的發明，以聚合物作為電解質材料是目前最好和最經濟的解決方案。法國Bolloré公司已經在制造和商業化基于聚合物的固態電池，它們主要用于網絡連接傳感器。此外，鋰離子電池的共同發明者John Goodenough最近也報道了一種使用玻璃作為電解質的電池。正是看中固態電池的諸多優點和商業化潛力，博世、戴森、豐田、英特爾等多個行業的巨頭投資數十億美元進行研發。接下來固態電池的研發主要應該聚焦于降低成本和拓展應用場景，小氘相信固態電池廣泛使用已遙遙在望。

4. 流動化學

  流動化學是指反應在不斷流動的體系中進行而不是批次化生產。與其他具體的化學創新不同，流動化學是一種策略或理念。流動化學能夠最大程度降低化學生產的風險，同時降低對環境的影響。2015年，麻省理工學院的化學家首次證明了流動化學的潛力，它可以創造出經典方法難以實現的定制聚合物。一些著名的制藥公司也搭建了流動化學設備，例如Merck公司利用流動化學實現了100千克規模的藥物前體合成；輝瑞公司開發的自動系統能夠每天分析多達1500個反應條件，加速了藥物最佳合成路線的發現。相信更快、更簡單、更可靠的流動化學將改變合成工作的面貌。

輝瑞的自動化高通量化學反應篩選平臺照片

5. 無溶劑反應

  從學化學第一天起老師就讓我們記住溶劑、溶質、溶液的區別，誰成想還有不需要溶劑的反應。有機合成中，有毒、易揮發、易燃易爆的有機溶劑是一大危險來源，除了本身就是一種資源消耗外，反應完了去除有機溶劑也費時費力。無溶劑反應就是想把有機溶劑“踢出”反應條件。目前化學家已經成功得用研磨的方法制備出氨基酸、腙、硝酮、肽等物質，實現了經典的鈴木偶聯反應、點擊化學等，安進公司更是實現了一種慢性疼痛藥物的無溶劑合成。不過成功的例子仍然很有限。離子液體、金屬有機骨架（MOF）可以幫助無溶劑反應的順利進行，也是熱門的研究領域。

6. 用于集水的MOF等多孔材料

  除了糧食，水資源是另一個影響全球人口的基本資源。水資源在地球上分布極不平均，而人類可直接利用的水又僅限于液態淡水，這導致30%以上的人口無法獲得安全的飲用水。為了獲得更多淡水，化學家做了很多努力，MOF等多孔材料是其中非常有潛力的一項。像MOF這樣的多孔材料具有海綿狀化學結構，可以選擇性地捕獲氫氣、甲烷、二氧化碳、水甚至藥物分子和酶。Omar Yaghi偶然發現了它們從大氣中捕獲水的巨大潛力。MOF可以從干燥的沙漠空氣中獲取可飲用量的純凈水，除了自然陽光之外不需要額外能量。具體說來，只需一公斤的MOF就能在濕度低至20％的情況下每天收獲2.8升水。目前這項技術已經在進行商業化開發。

利用MOF從沙漠空氣中獲取大量飲用水

7. 選擇性酶的定向進化

  2018年諾貝爾化學獎的一半授予了研究酶定向進化的科學家Frances H. Arnold教授。酶是天然的高效催化劑，但必須在合適的反應條件下才能發揮作用，且能夠催化的底物和反應相當有限。目前工業上使用的酶都是對天然酶的改造產物。酶的定向進化就是將自然界的酶向著工業所需的反應條件、底物、反應類型上改造。但酶的定向進化是非常困難和艱苦的工作，一個成功的高活性酶往往需要在大量變體中挑選出來。計算機技術、蛋白質工程的進步、基因合成、生物信息學等都能加速酶定向進化的速度。

8. 塑料降解

  得益于化學家的努力和循環經濟的深入人心，可降解塑料已經不再少見。塑料降解，即從高分子聚合物分解為單體，可分為化學降解和生物降解兩種，聚乳酸（PLA）受熱降解為乳酸就是典型的化學降解過程。諾卡氏菌（Nocardia）可以破壞聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）中酯鍵的酯酶；而日本科學家發現的Ideonella sakaiensis可以在六周內分解PET塑料薄膜，都是典型的生物降解。海洋學家發現在人類可探測到的最深的海洋中都發現了微塑料碎片和小珠，并對生態環境造成了破壞。希望化學家能繼續開發更高效的塑料降解方法，降低塑料這一現代社會必需品對環境的影響。

9. 自由基聚合的可逆失活

  自由基是一種反應活性極高的物質，自由基聚合非常難以控制，雖然它效率很高，但無法產生我們想要的產物。可逆失活自由基聚合（RDRP）已經誕生二十多年，它徹底改變了聚合物的研究。這些方法對鏈式反應實施控制，使化學家能夠設計出并合成出更為復雜、精密的聚合物。RDRP聚合物已在建筑、印刷、能源、汽車、航空航天和生物醫學設備等多個領域發揮作用，我們日常生活中接觸到的很多聚合物都得益于這項成熟的技術。現在有許多方法只用光來控制RDRP過程，而不用金屬，這更加環保、節約。化學家們還掌握了在水中進行聚合反應，避免使用揮發性或有害溶劑。可見，即便是一項頗為成熟的技術，也依舊不斷創新中。

10. 3D生物打印

  生物打印是當今最有前途的技術之一。使用由活細胞、生物材料和生長因子制成的3D“打印機”和“墨水”，化學家和生物學家已經設法制造出與其天然版本幾乎無法區分的人造組織和器官。3D生物打印可以徹底改變診斷和治療，因為人工組織和器官可以很容易地用于藥物篩選和毒理學研究。這項技術甚至能夠制造可供移植的組織和器官。目前，科學家們已經可以對管狀組織（心臟、尿道、血管）、粘性器官（胰腺）和固體系統（骨骼）進行3D打印。最近，劍橋研究人員甚至設法對視網膜進行三維打印，精確得沉積不同類型的活細胞層，以產生一種在結構上類似于原生眼組織的構造。化學在3D生物打印中起到了關鍵作用：首先，掃描器官和組織的三維模型需要化學造影劑；其次，生物打印的材料，如細胞，需要化學物質穩定、維持其活力；最后，3D生物打印的產品，也需要物理和化學方法來維持其結構、形狀以及功能。

  IUPAC評選出的這十項化學創新著實兼具創新性和實用性，它們或已經改變了某個領域的面貌，或即將一飛沖天，顛覆傳統。改造世界，讓世界更美好是化學家不懈追求的使命，你在里面找到自己的研究方向了嗎？

參考資料：

Fernando Gomollón-Bel. Ten Chemical Innovations That Will Change Our World: IUPAC identifies emerging technologies in Chemistry with potential to make our planet more sustainable. Chemistry International, 2019, DOI: 10.1515/ci-2019-0203

https://www.degruyter.com/view/j/ci.2019.41.issue-2/ci-2019-0203/ci-2019-0203.xml