用酵母发Nature，诺奖得主Nature Chemistry，7篇JACS速递丨顶刊日报20200904

纳米人

2020-09-08

1. Nature：用酵母生产植物药物

茄属植物中的Tropane生物碱是神经递质抑制剂，用于治疗神经肌肉疾病，被世界卫生组织（World Health Organization）归类为基本药物。全球供应方面的挑战导致这些药物经常短缺。澳大利亚野火和COVID-19大流行等供应链事件进一步暴露了其脆弱性。可快速部署的生产策略在环境和社会经济剧变中显得额外重要。于此，斯坦福大学Christina D. Smolke等人对烘焙用的酵母进行改造，以单糖和氨基酸为原料，生产药用生物碱hycycyamine和scopolamine。

本文要点：

1）研究人员通过结合功能基因组学来鉴定缺失的途径酶，通过蛋白质工程使一个酰基转移酶通过转运到液泡的功能表达，使异源转运体促进细胞内路径选择，并优化菌株以提高滴度。

 2）该集成系统可在六个亚细胞位置上定位来自酵母、细菌、植物和动物的二十多种蛋白质，从而概括植物中Tropane生物碱生物合成的空间组织。微生物生物合成平台可以促进发现Tropane生物碱衍生物作为神经系统疾病的新治疗剂，并且一旦规模化，就可以稳定、灵活地提供这些基本药物。

Srinivasan, P., Smolke, C.D. Biosynthesis of medicinal tropane alkaloids in yeast. Nature (2020). 

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2650-9

2. Nature Chem.：使用经过硫（VI）氟化物交换的磺酰胺基亚酰胺基氟化物进行反向药物发现

与通过可逆地结合蛋白质来调节生物学功能的常规对应物相比，与它们的靶蛋白质形成共价键的候选药物尚未得到充分研究，部分原因是担心脱靶反应性。但是，与脱靶反应性相关的毒性可以通过使用仅在结合特定蛋白质时才朝共价键形成激活的潜在亲电试剂来最小化。于此，美国斯克里普斯研究所Jeffery W. Kelly和K. Barry Sharpless等人研究了磺酰胺基亚氨基氟化物，这是一类经历硫（VI）氟化物交换化学的弱亲电子试剂。

本文要点：

1）研究表明，磺酰胺基亚氨基氟化物与蛋白质的平衡结合可以允许特定氨基酸侧链的亲核攻击，从而导致共轭物形成。

2）研究人员将小分子与人细胞裂解物一起孵育，每个小分子带有一个磺酰胺基亚氨基氟化物亲电试剂，并通过亲和色谱-质谱法鉴定了形成的蛋白质结合物。这种反向药物发现方法鉴定了一种化合物，该化合物与活细胞中重要的抗癌靶标聚（ADP-核糖）聚合酶1共价结合并不可逆地抑制其活性。

Brighty, G.J., et al. Using sulfuramidimidoyl fluorides that undergo sulfur(VI) fluoride exchange for inverse drug discovery. Nat. Chem. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41557-020-0530-4

3. PNAS：通过钯岛上的致密相促进氢原子迁移到周围的银表面

物种跨界面的迁移会严重影响多相催化剂的性能。使用双金属催化剂进行加氢的一个关键是，活性金属向主体金属提供氢原子，然后在主体金属中可以发生选择性加氢。近日，哈佛大学Cynthia M. Friend报道了氢原子在钯岛上二氢解离后迁移到银上的亚稳态位点上。

本文要点：

1）只有在氢原子覆盖率较高的情况下，才能观察到氢原子向银的迁移。首先，二氢在钯上解离，在钯岛上形成高达∼0.5单分子层（ML）的氢原子。增加的二氢暴露导致在钯上形成氢原子的致密相，并在银上形成亚稳氢原子，其覆盖范围分别高达1.05±0.10 ML（钯）和0.56±0.06 ML（银）。

2）迁移发生在钯-银界面上，因此，界面长度直接影响向银提供氢原子的供应，这表明超小钯岛将最有效地向银供应氢原子。

这项研究清晰地表明，氢原子在双金属界面上的迁移可以在两个金属组分上提供大量的氢原子浓度，对多相催化具有广泛的意义。

Christopher R. O’Connor, et al, Facilitating hydrogen atom migration via a dense phase on palladium islands to a surrounding silver surface, Proceedings of the National Academy of Sciences (2020)

DOI：10.1073/pnas.2010413117

https://www.pnas.org/content/early/2020/09/01/2010413117

4. Acc. Chem. Res.: 计算模型与反应动力学实验相结合，阐明催化活性位点的原位性质

基于密度泛函理论(DFT)推导的能量学的微动力学模型对于解决催化的基本问题非常重要。然而，微动力学模型(MKMs)的定量保真度常常不足以最终推断出特定催化系统的机理细节。这可以归因于许多因素，如进行DFT计算的活性位点模型不正确，假设的反应机理存在缺陷，对反应条件下的表面环境考虑不足，以及DFT交换相关函数的内在错误。通过可靠的参数估计来实现实验结果与模型结果之间的一致性，并确保DFT计算与MKM预测之间的覆盖范围一致性，有可能系统地完善机理模型，从而更好地了解催化活性位。

有鉴于此，威斯康星大学麦迪逊分校的Manos Mavrikakis等人，将计算模型与反应动力学实验相结合，阐明了催化活性位点的原位性质。

本文要点：

1）一般方法包括为给定的活性部位开发从头算的MKM，然后重新估计过渡态和中间态的能量，以使模型预测与反应动力学实验中测得的量匹配。如果（i）模型实验的均等性很高，则（ii）在标准DFT交换相关函数的误差范围内，合理化针对给定活性位点模型对DFT衍生的能量的调整，以及（iii）生成的MKM如果预测与用于初始化MKM的DFT计算中假定的表面覆盖率一致，可以正确识别活性位点和反应机理。如果不满足这些要求中的一项或多项，将通过更新关于活性站点结构的假设和/或通过合并覆盖效应来迭代地完善模型，直到获得高保真覆盖自洽的MKM，并最终获得动力学和热力学参数在DFT值的误差范围内。

2）以在过渡金属催化剂上甲酸（FA，HCOOH）分解的催化反应为例，介绍了如何应用该算法研究粉末金/SiC和Pt/C催化剂上的化学反应。对于仅通过脱氢反应（HCOOH→CO₂+H₂）发生FA分解的Au催化剂，采用了从（111）面开始迭代优化模型的方法，直到发现Au的特定集合亚纳米簇中存在的原子可以描述这种催化的活性位点。对于Pt催化剂，其中脱氢（HCOOH→CO₂+H₂）和脱水（HCOOH→CO+H₂O）反应均具有活性，该方法确定了部分被CO*覆盖的（111）表面是活性位点，并且CO*辅助步骤大大促进了FA的总体分解活性。

Saurabh Bhandari et al. Combining Computational Modeling with Reaction Kinetics Experiments for Elucidating the In Situ Nature of the Active Site in Catalysis. Acc. Chem. Res., 2020.

DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00340

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00340

5. Chem. Soc. Rev.: 二维材料与有机物的杂化超晶格

二维材料因其特殊的性能而受到广泛的关注。在宏观应用中，需要大量组装二维材料，但这受到二维材料容易团聚的限制。构建交替的二维材料和有机分子层的三维(3D)杂化超晶格，提供了一种新的途径来获取二维材料的优异性能。有鉴于此，清华大学万春磊教授和朱宏伟教授等人，系统地阐述了无机/有机杂化超晶格的概念，介绍了杂化超晶格中无机亚晶格和有机亚晶格丰富的组成和不同的结构，并对它们之间的化学相互作用进行了总结。

本文要点：

1）近年来，已经为混合超晶格开发出许多简便的制备技术，从而可以精确控制结构。此外，在无机/有机杂化超晶格内部还存在各种独特的机制，包括电子转移、量子约束、层间耦合、多界面效应等，可以帮助调节其性质。这些杂化超晶格丰富的化学性质和机制可以提高现有材料无法达到的性能，并在可充电电池、催化、热电、先进电子学、超导体、光电子学等领域提供新的应用机会。

2）首先，无机物的广泛选择和有机分子的无限变体导致了许多新的超晶格组成，其中大多数尚未在各种应用中进行探索，具有潜在的意想不到的性能。新技术的发展将进一步扩大无机材料的选择，而不仅仅是层状材料，，这将进一步提高成分的多功能性。其次，考虑到有机亚晶格中各种分子的复杂排列，确定其真实结构，评价其结构的有序性和均匀性值得进一步研究，这对于提高其性能和理解其内在机制具有重要意义。此外，无机物和有机物在原子尺度上的二维状态和相互作用提供了一个新的平台来触发现有材料中没有呈现的新功能。

3）最后，具有强大功能的混合超晶格在纳米或微器件中显示出巨大的潜力，可用于实际的技术应用。但是，大多数研究工作仍处于实验室阶段。诸如超晶格的可重复性和稳定性以及晶圆级合成技术的成本控制等关键问题仍有待解决。

Yujia Huang et al. Hybrid superlattices of two-dimensional materials and organics.  Chem. Soc. Rev., 2020.

DOI: 10.1039/D0CS00148A

https://doi.org/10.1039/D0CS00148A

6. JACS：多孔Ti-MOF-74框架用作强结合型一氧化氮清除剂

一氧化氮（NO）在环境，生理和工业上都是重要的分子。其对环境有害，它会反应形成酸雨并分解臭氧。NO也是由工业燃烧反应形成的烟道气（主要含有水，氮和二氧化碳）中的有害副产物。因此，从烟道气中捕获NO引起了科学家们的研究兴趣。近日，维克森林大学Timo Thonhauser等结合合成，红外光谱和从头算模型研究发现，钛基多孔框架Ti-MOF-74具有用作环境一氧化氮（NO）清除剂的潜力，与其它烟道气组分相比，具有超强的结合力和选择性 。

本文要点：

1）Ti-MOF-74暴露于水蒸气和高烟道气烟囱温度时的坚固性表明该材料可在工业环境中表现出良好的性能。

2）对Ti-NO键的深入分析表明，NO与Ti形成强共价键。

3）NO键的形成过程涉及与Ti的OH-封端基团反应形成NO_x基团，此后多余的NO结合到开放的Ti金属位点。

该工作报道的Ti-MOF-74是第一个结合NO的能力比水强得多的多孔框架材料，为环境和生理清除应用提供了新途径。

Stephanie Jensen, et al. A porous Ti-MOF-74 framework as strong-binding nitric oxide scavenger. J. Am. Chem. Soc., 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c02772

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02772

7. JACS: N掺杂碳上负载Ru单原子助力Li-O₂电池

非水系锂氧电池（LOB）是未来电动汽车和可穿戴/柔性电子产品最有希望的候选者之一。但是，在放电和充电过程中，ORR和OER的动力学缓慢会严重阻碍其发展。重庆大学Chaohe Xu等人采用MOF辅助的空间限制和离子取代策略来合成在掺氮多孔碳上负载Ru单原子作为电催化材料（Ru SAs-NC）。

本文要点：

1）理论计算表明，Ru-N₄作为驱动力中心，这种构型的数量会显著影响中间物种的内部亲和力。催化剂表面上ORR的限速步骤是发生2e^-反应以生成Li₂O₂，而OER途径是Li₂O₂的氧化。

2）通过使用优化的Ru_0.3 SAs-NC作为吸氧电极中的电催化剂，开发出的LOB在0.02 mA cm^-2时可提供最低的仅0.55 V的过电势。此外，原位DEMS结果表明，在整个循环中LOB的e^- / O₂比仅为2.14，表明在LOB应用中具有优异的电催化性能。

这项工作拓宽了单点催化剂高效设计的视野，为LOB提供了最大的原子利用效率。

Xiaolin Hua, et al. Ru Single-Atoms on N-Doped Carbon by Spatial Confinement and Ionic Substitution Strategies for High-Performance Li−O2 Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2020.

DOI: 10.1021/jacs.0c07317

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c07317

8. JACS：轮烷支化的树枝状大分子具有增强的光敏性

在过去的几十年中，功能性轮烷支化的树枝状大分子的制备已成为超分子化学和材料科学领域最有吸引力但最具挑战性的主题之一。近日，华东师范大学杨海波教授，徐林教授，孙海涛研究员报道了通过一种有效和可控的发散方法成功地合成了一族新的轮烷支化树枝状大分子，该树枝状大分子含有多达21个铂原子和42个光敏剂基团。

本文要点：

1）值得注意的是，这些轮烷支化的树枝状大分子的光敏化效率随着树枝状大分子生成量的增加而逐渐增加。例如，第三代轮烷支化树枝状大分子PG3的¹O₂生成效率是其相应单体AN的13.3倍。

2）¹O₂生成效率的提高归因于通过简单有效地在轮烷单元的轮轴和轮上分别引入多个重原子和光敏剂基团来增强系统间交叉（ISC），并通过紫外可见和荧光技术、含时密度泛函理论计算、光解模型反应和表观活化能计算证实了这一点。

新开发的轮烷支化树枝状大分子平台有望用于制备高效光敏剂。

Rotaxane-Branched Dendrimers with Enhanced Photosensitization, J. Am. Chem. Soc., 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c07292

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07292

9. JACS: 成对密度泛函理论解析磁性分子电子结构

量子化学计算能够对分子、材料的多种性质，然而在一些磁性的系统中，对电子结构的相关仍具有较大难度。其中，三桥羟基组成的双核Cr组成的Kremer二聚体分子中含有两个反铁磁性耦合的Cr(III)金属离子，为量子计算化学研究磁性分子体系提供了非常好的研究平台。有鉴于此，明尼苏达大学Donald G. Truhlar、Laura Gagliardi等报道了通过基于大活动空间密度矩阵重归一化基组的多组态成对密度泛函理论对正确的自旋态排序、能级间距、磁耦合常数进行预测，并通过非成对自旋密度分析其中超交换作用起到的作用。本方法为设计分子磁体提供了理论支持。

本文要点：

1）对Kremer 二聚体分子，[L₂Cr(III)₂(μ-OH)₃]^3-（L=1,4,7-三甲基-1,4,7-三氮杂环壬烷）进行分析，该分子中包含两个反铁磁性Cr(III)金属中心和d³-d³电子结构，传统的量子化学理论中对该分子结构的分析结果中有一些缺陷：无法得到正确自旋顺序、磁耦合状态；无法正确理解两个自旋中心相互作用之间的磁耦合机理。

2）作者通过新近开发的成对密度泛函理论（pair-density functional theory）对该问题进行分析，并首次成功解决了以上两个问题。

Prachi Sharma, et al. Magnetic Coupling in a Tris-hydroxo-bridged Chromium Dimer Occurs Through Ligand Mediated Superexchange in Conjunction with Through- Space Coupling J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c06399

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c06399

10. JACS: 氧化膦催化Mitsunobu手性酯化反应机理研究

最近有相关报道氧化还原中性中进行的（2-羟基苄基）二苯基氧化膦催化Mitsunobu反应中，通过ωB97X-D密度泛函理论对机理进行分析和解释。加州大学洛杉矶分校K. N. Houk等发现，在羧酸盐和烷氧基膦之间的亲核取代反应中，和传统的膦氧化物催化剂相比而言，亲核取代反应成为决速步骤，并显著改善了酸催化S_N2反应速率。在该反应中，（2-羟基苄基）二苯基氧化膦通过分子内的脱水/环化得以进行循环催化反应。

本文要点：

1）作者对羟基苯丙烷和二硝基苯甲酸在10 mol % （2-羟基苄基）二苯基氧化膦催化剂中，在二甲苯溶剂中回流反应的反应进行研究，该反应能以92 %的产率和96 % ee立体选择性进行。
2）这种氧化膦催化剂提供了一种新颖的方法，即通过氧化膦脱水产生活性膦离子物种进行催化反应，作者发现其中的分子脱水过程是反应的决速步骤，并展现较低的活化能。其中S_N2步骤中通过离子对中间体进行的过程是关键。

Yike Zou, et al. Computational exploration of a redox-neutral organocatalytic Mitsunobu reaction, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c07487

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07487

11. JACS: Ni/手性配体催化共轭二烯烃手性亲核酰胺加成

瑞士日内瓦大学Clément Mazet等报道了[(P, N)Ni]催化对枝状二烯烃进行氢烷基化反应，该反应是区域互补性发散的过程，当反应中将酰胺作为非保护稳定化的C(sp³)亲核试剂能进行区域选择性的1,4-加成反应，并以高产率和高立体选择性的生成内烯烃。在手性配体、酰胺碳亲核试剂的过程中，作者通过3,4-加成反应实现了在一步反应中得到两个连续三级碳立体中心，并且反应中的立体选择、对映控制都获得非常好的结果。该合成方法在温和条件中进行，并且对大量官能团兼容。进一步的，作者发现通过后处理反应能得到3,4-氢烷基化产物。

本文要点：

1）反应优化。将2-芳基-1,3-丁二烯（1a）、N,N-二甲基苯乙酰胺（2a）作为亲核试剂，5 mol % [Ni(cod)]₂/6 mol % Cy-Phox作为催化剂体系，在MeOK或BTMG作为碱的THF溶剂中反应，实现了95 %的产率。但是该条件中对N,N-内甲酸乙酯基苯乙酰胺（3a）未见较好的产物立体结构选择性。

2）进一步的，作者通过优化和Ni金属配合的配体结构对3a作为亲核物种的反应进行优化，发现在L1配体的N,O-五元环中安装两个芳基，对3a的反应实现了较高的反应立体结构选择性。

Wen Shao, et al. Ni-Catalyzed Regiodivergent and Stereoselective Hydroalkylation of Acyclic Branched Dienes with Unstabilized C(sp³) Nucleophiles, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c08319

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c08319

12. JACS: 催化剂结构调控对反应中间体和反应活性的影响

加州大学洛杉矶分校K. N. Houk、麦吉尔大学James L Gleason等报道了通过实验和理论计算结合对金属有机催化的Cope重排反应进行研究。之前的报道中，1,5-己二烯-2-甲醛在酰肼催化剂催化作用中，通过亚胺过程和Cope重排进行反应，并且该反应过程中7元环、8元环酰胺催化剂的活性更高。

本文要点：

1）作者通过计算模拟、动力学同位素效应实验，进一步发现该反应中Cope重排反应是反应决速步骤（而非亚胺生成步骤）。进一步的，作者通过计算化学发现酰肼催化剂如何降低Cope重排反应的活化能，发现该过程通过烯肼（ene hydrazine）结构得以稳定。同时计算结果展示了催化中环大小的效应，更大的环结构有助于获取结构更合理的过渡态。

2）通过尽量消除相邻N原子之间的孤对电子排斥力，尽量改善N原子向附近缺电子的σ-键的超共轭供电子性能，七元环结构的中间体有最好的过渡态结构。实验动力学研究同样验证了该理论结果，实验结果显示7元环催化剂的催化反应速率是6元环催化剂速率的10倍。

Jacob Nathan Sanders, et al. Mechanism of an Organocatalytic Cope Rearrangement Involving Iminium Intermediates: Elucidating the Role of Catalyst Ring Size, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c08427

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c08427