在刚刚过去的一年，化学化工领域有哪些重要的研究成果？
美国化学会主办的《化学化工新闻》评选出以下重要进展：
更深入地了解空气污染对于健康的影响
空气污染有害健康虽然已是不争的事实，大气污染物究竟如何影响我们的身体，在许多方面仍然缺乏深入细致的研究。在过去的一年，几项研究填补了这方面的空白。
PM2.5，即直径小于或等于2.5微米的颗粒物，是大家都不陌生的一类空气污染物。2019年的多项研究揭示了PM2.5对生殖发育的影响。
例如美国的研究人员发现，经常接触PM2.5、炭黑等空气污染物的育龄妇女，体外人工受精更不容易成功。
另一项来自英国的研究则表明，孕妇和幼儿暴露在PM2.5污染中会导致儿童的记忆力受损。由美国德州农工大学华人学者张仁毅（音）领导的一项研究则在大鼠实验中证实，如果怀孕的母鼠接触了PM2.5等污染物，后代的多个器官均会出现发育问题。
为什么空气污染物会对后代健康产生如此严重的影响，来自比利时的一项研究给出了一个可能的解释：细微的颗粒污染物(主要是炭黑)可以穿过胎盘接触到婴儿。
相关论文：
Hannelore Bové, et al. “Ambient Black Carbon Particles Reach the Fetal Side of Human Placenta.” Nat. Commun.,2019,10, 3866
Ioar Rivas, et al. “Association between Early Life Exposure to Air Pollution and Working Memory and Attention.” Environ. Health Perspect., 2019, 127, 057002
Guoyao Wu, et al. “Adverse Organogenesis and Predisposed Long-Term Metabolic Syndrome from Prenatal Exposure to Fine Particulate Matter.” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2019, 116, 11590
揭示更多关于人类微生物群系的秘密
我们的身体不仅仅属于我们自己，还属于生活在体表和体内的不计其数的微生物，即通常所说的人类微生物群系。
来自世界各地的研究者正在努力揭示人类微生物群系如何影响我们自身的方方面面。
在2019年，该领域研究的一个重要结论是人类微生物群系的代谢产物对人体健康有着显著的影响。
例如耶鲁大学医学院的Andrew Goodman等人发现，许多常见药物都会被肠道细菌代谢，这可能是药物使用和新药开发中需要考虑的因素。
其它多项相关研究也值得关注：左旋多巴是治疗帕金森氏症的一种药物，但该药物往往在某些患者身上效果要好于另外一些患者。
来自美国哈佛大学的研究人员发现，这很可能是因为肠道细菌会将部分左旋多巴代谢掉，使之失去活性，无法发挥应有的生理作用。
来自以色列一项研究表明，烟酰胺这种肠道细菌的代谢物能够在小鼠中缓解肌萎缩性脊髓侧索硬化症（即俗称的“渐冻人症”）的症状。
来自新加坡的研究人员则发现自体免疫性关节炎与肠道细菌的一种名为肽聚糖的代谢产物有关。
在小鼠中的实验表明，血液中肽聚糖含量的升高会加剧自体免疫性关节炎的症状，而注射肽聚糖的抗体则可以缓解症状。
来自英国的一项研究表明，通过顺产和剖腹产降生的婴儿不仅微生物群系的组成不同，而且令人担忧的是，通过剖腹产降生的婴儿其肠道内含有更多来自医院环境的细菌。
研究人员认为，之所以存在这种差异，一个重要的原因是进行剖腹产的产妇在分娩前会服用抗生素，这可能扰乱了体内正常的微生物群落，从而给了环境细菌可乘之机。
来自美国的另一项研究表明，肠道中大肠杆菌分泌的大肠杆菌素(colibactin)能够对肠道内壁细胞的DNA进行烷基化修饰。这会促使细胞启动DNA修复机制，而一旦DNA修复机制不能正常发挥作用，变异就会累积下来，从而可能导致大肠癌等疾病的发生。
相关论文：
Michael Zimmermann, at al. “Mapping human microbiome drug metabolism by gut bacteria and their genes”, Nature 2019, 570, 462
Vayu Maini Rekdal, et al. “Discovery and inhibition of an interspecies gut bacterial pathway for Levodopa metabolism”, Scienc, 2019, 364, eaau6323
Eran Blacher, et al. “Potential roles of gut microbiome and metabolites in modulating ALS in mice”, Nature 2019, 572, 474
Zhenxing Huang, et al. “Antibody neutralization of microbiota-derived circulating peptidoglycan dampens inflammation and ameliorates autoimmunity”, Nat. Microbiol. 2019, 4, 766
Yan Shao, et al. “Stunted microbiota and opportunistic pathogen colonization in caesarean-section birth”, Nature 2019, 574, 117
Matthew R. Wilson, et al. “The human gut bacterial genotoxin colibactin alkylates DNA”, Science, 2019, 363, eaar7785
对PFAS污染的研究取得新进展
全氟和多氟烷基化合物（PFAS）是近年来广受关注的一类环境污染物。这类化合物能够长久地存在于环境中，持续不断地影响人类健康。
在过去的一年，研究人员不仅对PFAS在环境中的存在和对健康的影响有了进一步的认识，而且开始着手开发消除这类污染物的手段。
例如位于美国伊利诺伊州的一家公司将玉米中的环糊精转化为能够吸收PFAS的材料。利用等离子体来降解污水中PFAS的装置也开始进行测试。
研究人员甚至发现了能够降解PFAS的微生物，从而有望提供一种廉价且具有可持续性的消除PFAS污染的方法。
用等离子体处理污水中PFAS的装置研究人员表示，希望目前PFAS污染的问题能够唤起整个社会对环境污染物的更好的关注，从而避免更多的污染物进入环境
相关论文：
Shan Huang,Peter R. Jaffé, “Defluorination of Perfluorooctanoic Acid (PFOA) and Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) by Acidimicrobiumsp. Strain A6”, Environ. Sci. Technol., 2019, 53, 11410
Max J.Klemes, et al. “Reduction of a Tetrafluoroterephthalonitrile-β-Cyclodextrin Polymer to Remove Anionic Micropollutants and Perfluorinated Alkyl Substances from Water.”Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 12049
Raj Kamal Singh, et al. “Rapid Removal of Poly- and Perfluorinated Compounds from Investigation-Derived Waste (IDW) in a Pilot-Scale Plasma Reactor.” Environ. Sci. Technol., 2019, 53, 11375
更加绿色的工业合成技术
在2019年，多个研究小组成功地改进了现有的工业合成路线，降低化学反应中的能源消耗和废弃物排放，而这一系列成就的“幕后英雄”是我们都不陌生的电流。己二腈是重要的化工原料，用于合成尼龙6,6这种常用的塑料和化学纤维。
目前己二腈的合成路线效率低且伴随大量副产物，美国纽约大学的Miguel Modestino团队利用机器学习技术成功提高了己二腈电化学合成的效率。
利用电化学合成己二腈的装置示意图（AN：丙烯腈；ADN：己二腈）环氧化合物也是重要的化工原料。目前工业上使用的合成路线会排放大量的二氧化碳，并且需要高温、高压、有毒试剂等苛刻反应条件。
美国麻省理工学院的KarthishManthiram等人成功开发出一种电化学反应装置。该装置能够在常温常压下通过烯烃与水的反应产生环氧化合物，且不会排放二氧化碳。
合成气，即以氢气和一氧化碳为主的气体混合物，也是重要的化工原料。目前制取合成气的一种方法是天然气的蒸汽重整，即令甲烷和水在高温下反应。该反应所需的高温来自于化石燃料的燃烧，因此会产生大量的二氧化碳排放，约占全球二氧化碳排放量的3%。
来自丹麦化工企业HaldorTopsoe的研究人员改为利用电流加热，成功降低该过程中的温室气体排放。他们估算，如果全世界的蒸汽重整装置都改为采用电加热，且使用来自可再生能源的电能，全球二氧化碳排放量可以因此减少约1%。
相关论文：
Daniela E. Blanco, Bryan Lee, and Miguel A. Modestino,“Optimizing Organic Electrosynthesis through Controlled Voltage Dosing and Artificial Intelligence.” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019, 116, 17683
KyoungsukJin, et al. “Epoxidation of Cyclooctene Using Water as the Oxygen Atom Source at Manganese Oxide Electrocatalysts.” J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6413
Sebastian T. Wismann, et al. “Electrified Methane Reforming: A Compact Approach to Greener Industrial Hydrogen Production.” Science 2019, 364, 756
新的合成方法振奋人心
苯是最简单的芳香烃。在苯的分子中，6个碳原子组成环状结构，即俗称的苯环。虽然苯可以发生各种化学反应，苯环却通常难以被打破。
不过在2019年，英国牛津大学的研究人员却发现，一种基于铝的配位化合物能够将苯环转换成直链烃类。由于苯可以从石油中获取，这一发现有望拓展石油化工的产品范围。
铝的配位化合物能将苯环转化为直链烃类“点击化学”是有机化学反应中的一个重要概念，它指的是产率高、反应专一性好、对溶剂、温度等反应条件不敏感且不易被其它反应干扰的化学反应，在药物开发、生物分子修饰等领域有着重要应用。
目前最为常用的点击化学是叠氮化物与炔烃之间的环加成反应，但叠氮化物的合成常常具有挑战性，特别是合成中使用的试剂往往具有爆炸的风险。
来自我国中科院上海有机化学研究所的董佳家研究员与美国斯克里普斯研究所巴里·夏普莱斯教授通过研究发现，氟代磺酰的叠氮化物(fluorosulfurylazide)能够将一级胺转化成叠氮化物，整个过程不存在爆炸的风险。这一发现有助于拓展点击化学的应用范围。
2019年化学合成中另一项看点是具备立构规整性的聚乙烯基醚的成功合成。立构规整性是聚合物化学结构中的一个重要概念，它指的是聚合物中相邻两个具备手性的碳原子互相之间的排列方式。对于同一种聚合物，具备立构规整性的结构往往比不具备立构规整性的结构具有更好的机械性能。
许多催化剂，例如由1963年诺贝尔化学奖得主卡尔·齐格勒和居里奥·纳塔开发的齐格勒-纳塔催化剂，能够实现聚合物的立构规整性，但齐格勒-纳塔催化剂对于聚乙烯基醚不起作用，因此这一类重要的聚合物的应用受到极大限制。
美国北卡罗莱纳大学教堂山分校教授Frank A. Leibfarth带领他的团队，通过使用具有手性的阴离子，终于合成出具有立构规整性的聚乙烯基醚。这项研究有望为聚乙烯基醚打开更广阔的应用前景。
相关论文：
Jamie Hicks, et al. “Reversible, Room-Temperature C—C Bond Activation of Benzene by an Isolable Metal Complex”, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 11000
Genyi Meng, et al. “Modular click chemistry libraries for functional screens using a diazotizing reagent”, Nature 2019, 574, 86
A. J. Teator, F. A. Leibfarth, “Catalyst-controlled stereoselective cationic polymerization of vinyl ethers”, Science 2019, 363, 1439
数字中的2019年化学研究
除了上述研究，《化学化工新闻》还用一系列数字总结下了过去一年中一些重要的研究：<100 微米– 迄今最小的分光光度计的长度。
这种分光光度计由单根的硫化镉和硒化镉的纳米线制成。90,000 –如果你每天的饮水完全来自瓶装水，你将额外摄入如此多块的微塑料。
9710–一项研究表明，RNA分子能够被糖修饰。截止2019年12月3日，报道该研究的预印本已经被下载了9710次。
46–机器学习算法找到可能治疗纤维化的药物分子所需的天数。980纳米–来自中美两国的研究人员向小鼠的视网膜中植入一种纳米颗粒，从而使得小鼠能够看到波长为980纳米的近红外光。
和人类似，小鼠本应只能看到波长在380-740纳米范围的可见光。<3 – 一种新的3D打印技术只需不到3个小时就能打印出1.2米高的塑料物体。
一种新型3D打印技术能够显著提高打印速度1.8 × 1022年–氙-124的半衰期。这是迄今为止实验测量到的最长的半衰期。>14000 –第一台基于碳纳米管的计算机中，每个微处理器所需的碳纳米管的个数。
由超过14000根碳纳米管制成的微处理器<5% -世界范围内锂离子电池被回收的比例。随着便携式电子产品和电动汽车的发展带来锂离子电池的需求不断增加，提高锂离子电池的回收比例刻不容缓。
9 – 研究人员发现，亚铁离子在没有酶参与的情况下就可以催化三羧酸循环这一重要生理过程中的9种产物，这有助于理解重要的生化分子是如何在地球上形成并最终导致生命起源的。
