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化院百年專輯(一)| 砥礪漫漫,薪火相傳

發布者:王天悅發布時間:2020-05-06瀏覽次數:127

      自1920年南京高等師范學校獨立設置化學系以來,南京大學化學學科已走過百年歷程。秉承“誠樸雄偉,勵學敦行”的校訓,以及“嚴謹、求是、創新、奉獻”的優良傳統,由化學學科發展而來的南京大學化學化工學院,已經成為蜚聲海內外的人才培養和科學研究基地。百年砥礪,薪火相傳,一代代化院人風雨無阻,勤勉前行,在中華民族復興之路上留下了濃墨重彩的篇章。

      值此百年華誕之際,世界頂級科學期刊Nature推出南京大學化學化工學院宣傳特刊,于4月30日在線出版。專刊用6個版面全方位展示了學院在合成化學、理論計算、測量化學、生物醫學、新材料、應用化學領域的重大科研進展及社會貢獻,向國內外彰顯了學院一流的科研水平。

      Nature院慶特刊專題鏈接: 

      Nature科研微信推送鏈接: 

   以下附原文的中文編譯,內容難免有不準確之處,僅供參考。


探索創造復雜分子的新方法

      合成化學日新月異將復雜分子的設計與合成變為現實,推動了醫藥、材料和能源等領域的快速發展。碳氫官能團化反應是將分子中碳氫鍵直接作為反應位點,具有眾多優點,是一類極具吸引力的化學轉化方式。南京大學化學化工學院致力于發展新方法推動合成化學的發展,特別是在碳氫官能團化領域。

万博体育彩票烯烴作為一類大宗化學品,實現其區域選擇性官能團化意義重大,但極具挑戰性。朱少林團隊發展了一種鎳氫催化烯烴“鏈行走”策略,實現一系列烯烴遠程的碳氫官能團化反應。該發現無疑將促進其它形式的遠程官能團化,并開發出相關不對稱催化模式。

万博体育彩票      考慮到金屬催化劑的價格與毒性,發展無金屬碳氫官能團化勢在必然。近期,史壯志團隊在芳(雜)環無金屬導向碳氫硼化方向取得重要突破,關鍵是發現了三溴化硼既作為硼源也是反應的催化劑。由于三溴化硼是一種廉價易得的化工原料,也是最便宜的硼試劑之一,可以公斤級的大量購買,因此該方法極具吸引力。反應可在溫和條件下高效地合成各種硼試劑,用于天然產物和藥物骨架的合成。

      朱成建團隊致力于開發溫和條件下的碳氫官能團化方式,發展出光催化誘導策略。與謝勁合作,他們也實現了羧酸和烯烴脫氧成酮,以及羧酸和氘水制備氘代醛的轉化。這些方法在藥物合成領域具有廣闊的應用前景。此外,俞壽云團隊基于光誘導羥胺衍生物產生氮中心自由基,發展了一系列轉化。

      合成化學家在全合成以及金屬有機領域也取得突破。姚祝軍團隊實現了一系列具有生物活性的復雜天然生物首次全合成。他們的策略在合成抗癌活性生物堿中顯得高產高效,為相關藥物的經濟性合成指明了方向。此外,朱從青團隊通過簡潔策略實現了一系列含鈾-金屬多重鍵雜金屬簇的合成,并發現了第一例具有f區金屬-金屬三鍵配合物。

挑戰理論計算極限

万博体育彩票      分子模擬和電子結構計算對于從微觀角度理解化學體系的各種行為至關重要。但是,傳統的理論方法由于計算量昂貴,目前尚難以大規模應用于大體系或者復雜體系的計算模擬研究。例如,傳統量子化學方法只能計算幾十到上百個原子的中等大小分子體系的基態電子結構。為了克服這樣的困難,由黎書華、李偉、馬晶教授牽頭的團隊提出了基于能量的分片方法和“分子中的簇”局域相關方法,使得高效計算幾千個原子的復雜分子的結構、性質和反應性變得可能。馬海波教授等人也實現了大分子體系和分子聚集體中的激發態高效計算,促進了有機太陽能電池等體系中光物理化學過程的微觀機理研究。針對量子反應動力學,謝代前教授團隊改進了耦合態近似,可以更好地描述分子碰撞動力學。他們的方法在不損失精度的情況下大大了節省計算成本。胡文兵教授團隊發展了高分子結晶的分子模擬方法,并被用于幫助闡明高分子鏈折疊的基本原理。這為理解蛋白質的折疊、錯誤折疊與解折疊提供了一個理想的物理模型。

突破化學測量極限

      南京大學的研究人員致力于改進化學測量工具,以鑒定細胞內未知的分子事件。通過測量細胞中的分子事件,為癌癥的診斷和治療做出貢獻。細胞是生命結構和功能的基本單元。細胞中的有序性和復雜性類似于一個小宇宙。了解物質和能量如何在“單細胞宇宙”中的轉移和轉換,將擴展我們對生命起源和進化、疾病機制等重要問題的認知。分析化學提供了由測量而得的實驗數據,提高了對化學世界認識的精度和深度。改進化學測量工具是南京大學一支多學科團隊的研究目標。由中國科學院院士、美國化學會會士陳洪淵、南京大學長江特聘教授徐靜娟領導的研究團隊開發出了一種全新的“單細胞時空分辨分子動態分析系統”,用于解讀單個活細胞內的分子事件。“我們已經整合了我們在電化學、光學光譜和質譜方面的優勢”,陳洪淵院士介紹。團隊成員江德臣開發了一種用于單細胞電化學分析的“納米試劑盒”,能夠測量單細胞和亞細胞器內的活性生物分子。另一團隊成員康斌首次測量了單個活細胞內的熱量傳遞和耗散,有望揭示驅動活細胞內分子運動的熱力學規律。陳洪淵院士還因其杰出的科研成就和激勵年輕科研人員的卓越貢獻,榮獲2015年度Nature杰出導師獎。這些實驗結果得到了徐靜娟教授及同事所開發的具有超高空間分辨率的單細胞成像質譜儀的支持。

万博体育彩票      發展原位分析方法來測量細胞內的生物分子事件是南京大學長江特聘教授鞠熀先所領導團隊的主要目標。經過幾十年的電學分析、納米生物傳感、生物成像、生物分析化學和信號放大策略設計的積累,鞠熀先團隊現在專注于細胞功能分子的原位分析,以提高癌癥的診斷和治療水平。鞠熀先教授和他的同事已經開發了一系列的方法來原位定量檢測細胞表面的多糖以及細胞中的基因和酶,這些分子介導了各種各樣的生物過程。結合局部重塑和分層編碼策略,他們創造了多種蛋白質特異性糖型的活細胞圖像,對于理解生理或病理過程有至關重要的意義。

      南京大學的電化學專家龍億濤教授致力于納米孔電化學,專注于單分子的電化學測量。龍億濤教授介紹:“單一生物分子界面可以設計出具有原子精確性的電化學納米限制來識別單一分子”。經過多次試驗,他的團隊創造了具有可控區域的溶血素納米孔的獨特傳感界面,以快速實現高空間和高時間分辨率。通過這些成孔界面,利用創新的納米孔傳感機制和先進的電化學儀器,可以直接檢測、鑒定和定位重要生物分子。龍億濤教授和他的同事們還在電光單分子傳感和測序方面發現了令人興奮的可能性。

      單分子水平上的電子轉移測量技術是生物過程原位研究的關鍵。朱俊杰團隊開發了一種超靈敏的電化學顯微鏡來降低檢測極限,從而能夠在單分子水平上測量電子轉移。

 生物醫學的發展促進化學研究,產生化學新工具

万博体育彩票      化學及其與生物學融合的快速發展見證了生物醫藥創新的巨大飛躍。在南京大學化學化工學院,研究人員通過對金屬化學生物學、生物傳感與診斷分子探針以及藥物遞送生物材料等方面的研究,促進了生物醫學新工具的發展,從而推動了基礎與臨床轉化研究。

      金屬離子參與了生命體中許多重要的生理和病理過程。精確檢測生物體內的內源性金屬含量并了解它們的生物學功能,能極大的推動金屬藥物的開發。鑒于鉑類藥物在腫瘤治療中廣泛應用,中科院院士、南京大學化學化工學院教授郭子建率領的研究團隊通過研究這些鉑類藥物在腫瘤細胞內的作用機制,設計、合成了具有新穎結構的金屬鉑配合物,其中一些能夠選擇性靶向到線粒體并引發腫瘤細胞死亡,這些新化合物將有助于提高抗腫瘤藥物的療效并克服順鉑等化合物的耐藥性問題。郭子建院士的團隊還開發了一系列熒光探針用于檢測活細胞中鋅、銅、鐵等金屬離子的含量,從而能夠實時追蹤金屬物種在細胞內的定位和動態分布。近期,郭子建院士創立了南京大學化學和生物醫藥創新研究院,通過整合化學、生物、醫學等不同學科的課題組,開展化學基礎與生物醫學應用研究,從而加速生物醫學的發展。

      受到金屬酶作用機制的啟發,南京大學化學化工學院趙勁教授通過設計人工酶來模擬金屬酶促催化反應,發展了一種新穎的生物無機混合系統,實現有氧條件下的光催化制氫。

      劉震教授的研究聚焦于分子印跡聚合物,這類聚合物能夠識別從單糖和蛋白質到翻譯后修飾蛋白質等生物分子。劉震教授發展的分子印跡聚合物在模擬天然抗體和凝集素功能的同時,提高了其穩定性、特異性和可重復性,并降低了成本,實現了從單細胞分析、疾病診斷到癌癥納米治療的一系列重要生物醫學應用。

      能夠實現組織乏氧狀態檢測的化學探針對于腫瘤及其他疾病的早期診斷和治療效果的評估具有重要意義。蔣錫群教授率領的團隊基于具有較強磷光特性的銥配合物和生物相容的聚合物,發展了非侵入性成像腫瘤乏氧微環境的探針,能夠高靈敏地檢測原發性和轉移性腫瘤。該探針甚至能夠在小鼠模型中檢測早期形成階段的腫瘤病灶,為癌癥早期診斷提供了有力的工具。這些探針能夠進一步應用于成像引導的腫瘤手術與治療效果監測。利用生物相容性的鐵電高分子聚合物,蔣錫群教授和沈群東教授合作開發了全有機柔性仿生視網膜。該視網膜已經被植入兔子、大鼠和恒河猴體內以替換受損的感光細胞層,并被證明能夠實現光強識別、顏色認知,甚至實現夜視和超分辨成像。沈群東教授表示:“希望我們的人工視網膜能夠為無數患有眼部疾病的患者帶來光明”。

構建一個更美好的納米世界

      材料是人類文明的基石。要了解材料的結構和組成,以便改進它們的合成方法和實現它們更廣泛的應用,就需要創新的化學研究。南京大學化學化工學院的化學家們致力于開發具有最佳物理或化學性能的新型功能材料,并將其應用于實際生產和生活。

万博体育彩票      能源功能材料的設計是以胡征教授為首的南京大學化學化工學院物理化學小組的研究重點。他說:“由于其多樣化的結構和取向,碳材料在能源生產、轉化和儲存等方面得到了廣泛的應用。在過去的35年里,納米碳從富勒烯發展到石墨烯,最近環碳又成為了納米碳研究的熱點。胡征教授的團隊以碳基納米材料為核心,開發了一系列性質獨特的介觀結構碳納米籠材料。與其它常規多孔納米碳不同,他們開發出來的納米籠具有大的內腔、高的比表面積和可調的電子結構,使其成為電池中電極的理想選擇。其分層多孔結構和導電支架有利于物質傳輸和電荷轉移。這些碳基納米籠及其衍生物復合材料在能源轉換和儲存中顯示出巨大的潛力。

万博体育彩票      信息技術的飛速發展激起了人們對多功能光電材料的需求。兼具電性和磁性的材料由于其在分子自旋電子學中的潛在應用更是備受關注。由左景林教授領導的分子光電材料研究團隊已經制備出了新型的共軛配體。利用該配體可以進一步制備可望用于分子電子學器件的金屬配合物。例如,他們制備了具有氧化還原活性和超質子導電性的金屬配合物,并證實這類材料存在一種新的“離子/贗電容耦合”導電機制。左景林教授的團隊還開發了基于氧化還原活性配體的Fe(II)配合物。該配合物可用于制備光控和電控的自旋轉換材料,為新的分子電子學和磁性器件奠定了基礎。

万博体育彩票      自修復材料能夠自動檢測和修復裂紋,因而能夠延長材料的使用壽命,提高安全性,并減少廢棄物。其重要的研究價值引起了由李承輝教授領導的研究小組的興趣。受天然生物材料本征自修復特性的啟發,李承輝教授的團隊利用配位鍵的獨特性質,設計合成了許多具有優異力學性能和自修復性能的高分子材料。這些新型自修復高分子具有高彈性、高韌性和剛性,可廣泛應用于電子、航空航天或國防工業中的粘合劑、密封劑、涂層、以及封裝材料。

万博体育彩票      基于超分子自組裝的功能材料是南京大學化學化工學院研究人員的另一個關注點。王樂勇教授和胡曉玉教授領導的研究團隊致力于應用超分子化學開發智能材料。他們開發了一種超分子納米復合水凝膠膜,可用于熱致變色智能窗。該膜可自動調節環境溫度,加熱時可由透明變為不透明,從而保持舒適的室內溫度,同時節約能源。研究小組還設計了一種模擬自然光合作用的采光系統。

化學研究成果正轉化為節能技術、提升效益

      從石油煉制到醫藥開發、廢水處理等各個工業領域,化學反應是最核心的驅動力。南京大學化學化工學院開發了許多加速反應進程的技術,為系列工業過程提升了生產效率、并產生了巨大的效益。

      化學化工學院張志炳教授開發的微界面強化反應技術(MIRT)充分展示了具有應用化學背景的科研人員如何將研究成果轉變為對社會和工業具有重要價值的技術。化學化工學院院長黎書華教授評價道:“我們通過推進綠色化學及節能相關的基礎研究及技術開發,創造了社會效益。”

万博体育彩票      在石油煉制領域,渣油的催化加氫通常是在高壓漿態床中進行(壓力:16-25MPa),實現這一過程需要巨大的設備投資、大量的能量消耗,同時工業生產面臨嚴重的安全風險。張志炳教授團隊開發的微界面強化反應技術可以顯著提升反應速率,以此實現了極低壓力(4-6MPa)下百萬噸級渣油高效加氫。相比傳統工藝,過程節能降耗超過10%,減少CO2排放20%。微界面強化反應技術在非均相反應體系仍然適用,包括烷基化反應、羰基化反應、以及廢水處理。目前,以上技術已經在許多化工企業得以合作推廣。

      化學化工學院丁維平教授致力于開發介尺度催化劑來加速反應過程。基于酶催化的原理,丁維平教授團隊開發了許多適于工業應用的高效催化劑,包括選擇性氧化或加氫催化劑、低鉑燃料電池催化劑。

      化學化工學院開發的另一個節能技術帶來了高效的聚合過程。在材料加工領域,聚合反應是僅次于金屬冶煉的第二大能源密集型工業過程。為了獲得流動性,塑料聚合物通常需在高溫下進行處理。舉個例子,聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)需經過吹塑成為各種容器,比如飲料瓶制作需紅外線加熱。可是,PET幾乎不吸收紅外光,從而限制了加熱效率。

      由薛奇和周東山教授領導的研究團隊設計了一種中空的、具有高紅外吸收能力的微顆粒,經過適當的顆粒親水性修飾,這種微顆粒能牢牢的粘附在PET聚合物鏈上。僅需在PET中添加少量這種微顆粒,就可以顯著提高加熱效率,從而降低過程能耗25%、縮短過程時間26%。以上飲料瓶通過了FDA認證,使得這一節能型PET獲得許多跨國公司的廣泛使用,包括可口可樂、百事可樂等。考慮到世界范圍內每年會使用大量的PET飲料瓶,這種新型PET的開發將帶來顯著的節能效果、并大幅減少全球CO2排放。

万博体育彩票      化學化工學院研究人員開發的技術也被應用到電子工業。由孫祥楨和潘毅教授領導的團隊開發了一系列高純有機金屬化合物,這些有機金屬化合物中碳原子直接和金屬或類金屬元素成鍵。由于此類化合物具有幾乎100%的純度,他們開發的化合物在半導體工業中被廣泛用作電化學材料。學院將自主知識產權成果轉移,成立江蘇南大光電材料股份有限公司,已在深交所創業板成功掛牌上市。

      承繼百年卓越與使命,開啟學科建設新征程。化學化工學院將繼續弘揚傳統,開拓創新,朝著研究型、國際化的目標邁進,爭取早日進入世界一流學科的前列!

       (文字來源:南大新聞網   責編:發展委 吳迪)