计算机助力化学研究
IBM研究人员使用在这个处理器中使用了7个量子位
Credit: IBM
数十年来，计算机一直在推动科学发展。到了今年，机器学习和量子计算方面的进展尤为显著。不仅研究人员利用这种先进技术解决基础科学问题，包括巴斯夫和陶氏化学在内的化学企业也与IBM和惠普等计算机巨头结成联盟，将计算机技术应用于商业发展。机器学习是指能够促使计算机超越严格的编程指令，并在大量数据基础上进行学习、执行决定和预测的算法。语音和人脸识别程序、垃圾邮件过滤以及天气预报，都使用了这类算法。
在化学方面，美国华盛顿大学的David Baker及其同事报道了使用这种技术来确定600个结构未知的蛋白质家族的三维构象（Science 2017, DOI: 10.1126/science.aah4043）。一个国际小组使用这种方法让计算机根据分子结构来预测化合物的气味。这一进步扩大了对嗅觉的理解，并有可能造福香料行业（Science 2017, DOI: 10.1126/science.aal2014）。机器学习在计算分子电子结构方面也取得了进展，使用这种技术可以绕过密度泛函理论中计算最密集的部分（Nat. Commun. 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00839-3）。
机器学习发现的4个蛋白质结构
Credit: AAAS/Science
当一些研究人员努力推动传统计算机的化学预测能力时，IBM、微软和谷歌的科学家将目光放到了量子计算机上。与使用晶体管和存储单元来处理近似电子波函数的1和0的传统机器不同，量子计算机使用磁性元件或其他类型的双态量子系统（量子位）来代表波函数，作为电子能量和状态的叠加。传统计算机不足以计算出的复杂分子的性质，量子计算机有望去解决。IBM的研究人员使用7量子位量子计算机计算出了氢化锂和氢化铍的基态能量，这是量子计算领域的一个里程碑（Nature 2017, DOI: 10.1038/nature23879）。
电合成给化学家充电
Waldvogel实验室的电化学实验
Credit: Verband der Chemische Industrie/Gerald Fuest
提及电化学，首先想到的可能是电池和太阳能电池，或者电镀等工业过程，有机合成通常不会参与其中。尽管电化学合成趋于成熟，化学家却认为这种方法过于繁琐和昂贵，不愿意将其应用于常规有机反应，如C-H活化或者芳烃交叉偶联。自2015年以来，这项技术迅速发展，并于今年完整呈现。
当电流作为替代试剂时，有机反应中可以避免有毒或危险试剂，不需使用保护基和催化剂。此外，电合成可以降低或消除加热和冷却反应容器的需求，从而降低能耗。有机合成化学家需要创造的分子日益复杂，电合成的优势可以帮助他们以一种更绿色、更可持续、更安全和更经济的方式合成目标分子。
除了推动开发新的电化学反应，研究人员还帮助开发了用于有机合成的用户友好型仪器。去年，德国美因茨大学的Siegfried R. Waldvogel帮助启动了IKA公司的实验室规模连续流电合成系统ElectraSyn。今年，美国斯克里普斯研究所的Phil S. Baran帮助IKA公司推出了ElectraSyn 2.0。Baran小组正尝试通过电合成实现复杂萜烯天然产物的制备。“这是令人难以置信的有效研究，电化学的再度出现值得我们关注。” Baran说。
修饰和新发现的酶引发化学创新
酶在化学研究和化学和食品加工业中扮演着关键角色。C&EN网页的一项搜索显示，今年大约有200篇文章报道了酶，每一期大概有四篇相关文章。这涵盖了很多前沿发现，例如，研究人员寻找具有催化合成作用的酶，并进行人工进化，将其用于苛刻的有机反应。下面，C&EN总结了3个最有特色的酶。
傅-克细菌
Credit：C&EN
哈佛大学的Balskus课题组找到了一种酶，蓝藻用它来合成芳香性天然产物cylindrocyclophanes。1877年，Charles Friedel和James Crafts发现，路易斯酸可以将卤代烷烃的烷基接到芳香环上。Balskus及其同事表明，蓝藻早就开发了这类反应（Nat. Chem. Biol. 2017, DOI: 10.1038/nchembio.2421）。他们发现，一种名为CylK的酶能用卤代烷烃的烷基修饰芳香环。另一种名为CylC的酶则负责产生CylK反应所需的氯代烷烃。研究人员正在探索CylK的晶体结构，并希望能够设计出适用于更广泛底物的酶。
进化的氧化者
Credit: Science
通过反马氏烯烃氧化把端烯烃转化成醛，化学家通常要使用非对映选择性和非生产性的方法。加州理工学院的Frances H. Arnold及其同事采用一种定向进化技术，开发了效果更好的反马氏酶。定向进化是一种迭代的蛋白质突变和筛选过程，赋予酶非天生的能力。Arnold的团队确定了12种氨基酸取代（红圈圈），将传统烯烃氧化酶P450LA1转化为立体选择性反马氏催化剂aMOx（Science 2017, DOI: 10.1126/science.aao1482）。aMOx（黑、蓝、红棒状结构）的生产率几乎是现有商业化烯烃氧化催化剂的400倍。
启蒙发现
Credit: Science
法国原子能与可替代能源委员会的Fred Beisson带领团队发现，微藻拥有一种特殊的酶，可以利用光将脂肪酸脱羧为烷烃或烯烃（Science 2017, DOI: 10.1126/science.aan6349）。通过纯化微藻中的酶，研究人员鉴定了脂肪酸光敏脱羧酶。这种酶的活性前所未有：能将脂肪酸转化成14-18碳烷烃或烯烃。新的光敏酶可用于生产生物质碳氢化合物。
流动化学工业进展
礼来的连续流动设备
Credit: Eli Lilly & Co.
近年来，流动化学稳步发展，到了2017年，连续化学合成方法（用管子和T型接头混合器取代烧瓶和搅拌棒）在制药工业中取得了显著进展。代表性事件是，礼来公司的化学家使用更安全、更快速和更廉价的连续流动化学，合成了化疗候选药物一水合prexasertib羧酸盐。礼来团队建立了八步连续的工艺来制备该化合物。其中第一步用到了肼，在分批工艺中使用肼十分危险。值得一提的是，礼来的化学家在合成过程中将连续生产过程的最后阶段与质量控制体系关联起来，以达到药品生产监管机构要求的cGMPs标准（Science 2017, DOI: 10.1126/science.aan0745）。
Credit：C&EN
流动化学不仅受到礼来的欢迎，其他制药和化学品公司同样对其青睐有加。流动化学公司Snapdragon与辉瑞合作，优化高活性试剂丙二烯锂的制备路线，并将其用于重要药物中间体的合成。Snapdragon还与全球领先的大宗制药化学品供应商庄信万丰签署协议，共同开展用于药物生产流动化学的研究。
Credit：C&EN
小机器，大进步
自20世纪80年代以来，化学家们一直在创造分子机器——具有马达、转子甚至微型汽车等功能的单个分子。2016年，三位分子机器的先驱获得了诺贝尔化学奖。今年，分子机器热点延续，多次登上新闻头条，包括马力加强的马达转子组合，提升电池性能的聚合物滑轮，以及世界上第一次纳米车大赛。
六支队伍参与的世界首次纳米车大赛
Credit: TU Dresden/Mana-NIMS/Ohio University/University of Basel/Rice University/G. Rapenne/ P. Abeilhou/CEMES-CNRS CNRS/C&EN
美国莱斯大学的James M. Tour领导团队，将紫外光活化的分子马达变为可以穿透细胞膜的小钻子。让足够的马达钻子钻入癌细胞中，可以在几分钟内破坏细胞的完整性。Tour说，与化疗方法不同，癌细胞不会对分子马达产生抗药性（Nature 2017, DOI: 10.1038/nature23657）。
Credit: Tour group/Rice University
英国曼彻斯特大学的David A. Leigh及其同事构建了一种可编程的分子机器，它通过加入硫醇和烯烃不对称取代α,β-不饱和醛底物，产生四种不同的产物。该机器具有手臂和旋转开关，改变pH可以使其在R立体化学位点和S立体化学位点之间移动（Nature 2017, DOI: 10.1038/nature23677）。
Credit: Nature
荷兰格罗宁根大学的Ben L. Feringa提高了经典光活化分子马达的复杂性，得益于复杂立体化学的设计，两组分可以同步转动（Science 2017, DOI: 10.1126/science.aam8808）。
Credit: Adapted from Science
韩国科学技术院的Ali Coskun和Jang Wook Choi领导团队开发了一种聚合物，将其加入到硅阳极中，可以减轻阳极在充电和放电时的应力，从而延长电极寿命。该聚合物成功的秘诀在于，线性聚合物聚丙烯酸共价连接到含有机械键的聚轮烷网络上。在电池充电过程中，随着硅阳极扩张，聚轮烷环环像滑轮系统一样，沿着链条自由滑动以消散应力（Science 2017, DOI: 10.1126/science.aal4373）。
Credit: Adapted from Jang Wook Choi and colleagues
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