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科研进展
  • 广州地化所何昕悦等:玄武岩风化Ti同位素组成及其分馏机理研究
        Ti同位素作为新兴的非传统稳定同位素示踪沉积物源区的指标,其前提假设是表生过程中Ti同位素组成不受水-岩相互作用的影响。Greber等人(2017)Science的研究中应用这一假设,通过不同时代页岩的Ti同位素组成反演早期接受风化剥蚀的地壳化学组成,推测板块活动的起始时间早于35亿年,迈出了Ti同位素示踪源区的第一步。然而目前表生风化过程中Ti同位素组成的分馏特征及其控制机制的研究还极为欠缺。
       针对这一科学问题,中国科学院广州地球化学研究所同位素国家重点实验室何昕悦博士、马金龙正高级工程师、韦刚健研究员等选取了经历强烈化学风化的海南新生代玄武岩风化剖面,对其残积土全岩、母岩全岩及单矿物、风化产物化学提取的结晶铁(氢)氧化物相和残余相(由粘土矿物和铁钛氧化物组成)的Ti同位素组成进行了综合测定,以验证极端风化过程中是否存在Ti同位素的分馏及其解析分馏控制的机制。
       研究结果如图1 所示,化学风化过程中风化剖面伴随着Ti元素的迁移存在明显的Ti同位素的分馏。剖面残积土样品之间的Ti同位素分馏可达0.14‰。并且瑞利分馏模型计算结果表明强烈化学风化条件下流体与残积土之间的Ti同位素分馏(Δ49Tifluid-remained)可达0.20‰,该研究首次证明了化学风化作用对于Ti同位素分馏的影响。
       
      图1开放系统Ti同位素的瑞利分馏模型
       进一步的研究结果表明风化产物中两个最主要的富钛相:结晶铁(氢)氧化物相(15%)和残余相(85%),两者之间存在极为显著的Ti同位素分馏,最高可达0.6‰(图2)。其中残余相具有轻的Ti同位素组成(δ49Ti = -0.165‰ ~ +0.043‰),继承了具有低δ49Ti(-0.200 ± 0.055‰)组成的钛铁矿的特征。而结晶铁(氢)氧化物相具有偏重的Ti同位素组成(δ49Ti = 0.108‰ ~ 0.540‰),继承自具有偏重的δ49Ti值的辉石斑晶(0.176 ± 0.039‰)和基质(0.153 ± 0.057‰)。Ti从辉石斑晶和玄武岩基质中风化释放进入流体再以替换Fe的方式进入结晶铁(氢)氧化物相的过程中亦存在明显的Ti同位素分馏。并且可交换相、结晶的铁(氢)氧化物相和有机物相是风化剖面中Ti的主要迁移形式,它们的迁出可能是引起剖面重Ti同位素优先迁移的主要原因。
      图2 玄武岩风化残积土及其主要矿物相的钛同位素组成
       综上,化学风化过程中含Ti矿物的形成和溶解控制了剖面的Ti同位素组成变化,此外,风化产物在河流搬运和沉积过程产生的矿物分选也可能产生Ti同位素的分馏。因此,Ti同位素组成在沉积物来源研究中的应用需要谨慎。
      图 3 化学风化过程Ti同位素分馏机理
       论文信息:何昕悦,马金龙,韦刚健,王志兵,张乐,曾提,张卓盈. Mass-dependent fractionation of titanium stable isotopes during intensive weathering of basalts [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 579: 117347. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117347。
       
    2022-06-30
  • 广州地化所陈兰夏迪等:非均相反应对矿质颗粒物冰核活性的影响
        冰核颗粒物是指在大气中可以引起水蒸汽发生凝华或过冷液滴发生冻结而形成冰晶的气溶胶颗粒物。通常情况下,纯水通过均质核化过程形成冰晶只能在-38摄氏度以下发生,而冰核颗粒物的存在可以使冰晶在相对更高的温度下形成。因此,冰核颗粒物将影响云的形成、性质和寿命,继而影响地球系统的辐射和能量平衡以及降水的形成。矿质颗粒物是对流层中最重要的冰核颗粒物之一。已有研究表明,矿质颗粒物与二氧化氮的非均相反应在氮氧化物的去除、臭氧和硝酸盐的形成中起着重要作用。然而,二氧化氮的非均相反应对矿质颗粒物冰核活性的影响仍有待阐明。
       中科院广州地化所有机地球化学国家重点实验室、深地科学卓越中心博士生陈兰夏迪(导师:唐明金研究员)自主开发了一种测定大气颗粒物冰核活性的方法(Guangzhou Institute of Geochemistry Ice Nucleation Apparatus,GIGINA),并通过一系列表征实验验证了该方法的可行性。基于该方法,研究了相对湿度为40%时二氧化氮的非均相反应对长石与亚利桑那沙尘冰核活性的影响。研究结果近日由我国主办的高水平英文学术期刊Journal of Environmental Science正式发表。
      图1:二氧化氮的非均相反应对矿质颗粒物冰核活性的影响
       该研究发现二氧化氮的非均相反应可显著降低长石和亚利桑那沙尘的冰核活性。在反应0-6 h期间,长石颗粒物表面生成的硝酸盐含量随反应时间的增加而逐渐升高;同时,长石的冰核活性逐渐降低。然而,当反应时间进一步延长至24 h时,长石的硝酸盐含量与冰核活性并没有发生显著改变。另外,在反应0-24 h期间,亚利桑那沙尘的硝酸盐含量随反应时间的增加而逐渐升高;同时,亚利桑那沙尘的冰核活性逐渐降低。此外,该研究还发现二氧化氮的非均相反应对长石和亚利桑那沙尘的影响存在显著差异。该研究有助于我们更好地了解二氧化氮的非均相反应对矿质颗粒物冰核活性的影响,也将从基础水平上揭示颗粒物冰核活性位点的性质。
      图2:与二氧化氮非均相反应前后长石颗粒物冰核活性的变化。(a)冻结率(fice);(b)单位面积活性位点数(ns)
       该研究由基金委优秀青年科学基金项目、广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。主要合作者包括北京大学吴志军研究员等人。
       文章信息:Chen, L., Peng, C., Chen, J., Chen, J., Gu, W., Jia, X., Wu, Z., Wang, Q., and Tang, M.: Effects of heterogeneous reaction with NO2 on ice nucleation activities of feldspar and Arizona Test Dust, J. Environ. Sci., 127, 210-221, 2023.
       文章链接
       
    2022-06-30
  • “十三五”国家重点研发计划“畜禽营养代谢与中毒性疾病防控技术研究”项目综合绩效评价获评优秀
    近日,从国家科技管理信息系统获悉,由中国工程院院士、中国科学院亚热带农业生态研究所研究员印遇龙主持的“十三五”国家重点研发计划项目“畜禽营养代谢与中毒性疾病防控技术研究(2016YFD0501200)”通过综合绩效评价,等级为优秀。
      近日,从国家科技管理信息系统获悉,由中国工程院院士、中国科学院亚热带农业生态研究所研究员印遇龙主持的“十三五”国家重点研发计划项目“畜禽营养代谢与中毒性疾病防控技术研究”通过综合绩效评价,等级为优秀。
      该项目作为“十三五”期间首批启动的重点研发计划项目之一,主要针对畜禽营养素供给不平衡、代谢与中毒性疾病发病率高且早期诊断困难等突出问题,重点突破了畜禽微量元素减量增效关键技术、仔猪断奶应激缓解技术、奶牛酮病和脂肪肝早期诊断和防控关键技术、饲料真菌毒素和重金属快速检测关键技术、菜粕发酵和非常规资源开发等共性关键技术。其中,由中国科学院亚热带农业生态研究所牵头承担的课题“猪微量元素、维生素和电解质失衡防控技术研究”)明确了猪微量元素铜、锌、铁、维生素和电解质dEB最佳水平,成功研发了铜锌过载防控与减量增效技术,实现了饲料中微量元素“减量增效”和精准供给,使得猪粪便中微量元素排放减少了50%以上,缓解了养殖粪污中重金属排放的压力,期间也获得了中国科学院科技促进发展奖。
      该项目共计研发早期预警、营养调控技术20项,检控技术22项,产品、配方25个;申请专利61项,其中授权专利38项;牵头发布了国家标准2项、行业标准2项;公开发表论文223篇;培养博士、硕士研究生200余名,培养国家级青年人才35人次。截至目前,项目研究成果已成功转化多种代谢病诊断试剂盒、复合饲料添加剂和食品安全快速检测新产品,上述产品的推广对畜禽营养代谢病防控、饲养管理升级、饲粮资源节约、生态环境保护、动物健康和食品安全等具有重要实践意义,为“十四五”期间创新精准营养、无抗养殖、非常规饲料原料应用等技术奠定了良好基础,也产生了良好的社会、经济和生态效益。
      项目综合绩效评价现场图片
    2022-06-29
  • 广州地化所李旭锐等:微生物在离子吸附型稀土成矿中的作用
        华南离子吸附型稀土矿床是全球最主要的中重稀土资源基地。尽管已有研究普遍发现微生物活动能促进矿物溶解、元素迁移和固定以及次生矿物形成等现象,但微生物在离子吸附型稀土矿床形成过程中的作用仍未明确。近日,中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究团队及其合作者选择广东省梅州市仁居离子吸附型稀土矿床为研究对象,采用高通量测序、模拟实验以及微区表征等方法,揭示了微生物在稀土富集-分异过程中的作用机制,得到如下创新性认识:
       1)稀土元素的垂直分布特征与微生物群落有关。风化壳中微生物群落组成丰富,多样性较高。优势细菌门为变形菌门、酸杆菌门、放线菌门和厚壁菌门,优势真菌门为子囊菌门和孢子菌门。真菌和细菌都参与稀土元素的富集,而细菌在稀土元素的分异中起着关键作用(图1)。
       2)从矿床剖面分离的细菌均能富集稀土元素,其表面的羧基和磷酸基团是主要吸附位点。其中,革兰氏阳性细菌芽孢杆菌和微球菌能优先吸附重稀土,对轻-重稀土分异具有促进作用,其细胞壁中的磷壁酸是优先吸附重稀土的主要位点(图2)。
      图1. 仁居矿床剖面稀土元素含量与优势微生物类群浓度的相关性
      图2. 细胞中Yb(III)的分布和吸附形态
       上述认识不仅揭示了微生物在离子吸附型稀土矿成矿作用的重要贡献,同时为稀土资源的生物高效利用提供了新的思路。
       上述研究成果近期发表在地质微生物学重要期刊Applied and Environmental Microbiology上。研究获得了国家重点研发计划项目等项目的联合资助。
       论文信息:Xurui Li, Xiaoliang Liang, Hongping He*, Jintian Li, Lingya Ma, Wei Tan, Yin Zhong, Jianxi Zhu, Mei-Fu Zhou, Hailiang Dong. Microorganisms accelerate REE mineralization in supergene environments. Applied and Environmental Microbiology, 2022. DOI: 10.1128/aem.00632-22
       论文链接
    2022-06-28
  • 断奶仔猪腹泻发生机制研究取得新进展
    在全球畜禽养殖业逐步禁用促生长抗生素背景下,腹泻防控成为断奶仔猪饲养管理的重中之中。然而,仔猪腹泻的诱因复杂多样,相关分子机制尚有待解析。中国科学院亚热带农业生态研究所印遇龙院士团队近期研究发现,断奶应激导致腹泻仔猪的肠道微生物、代谢物和miRNAs组成均发生显著改变。其中,ssc-miRNA-425-5p和ssc-miRNA-423-3p的缺失导致Prevotella菌属丰度增加,且其富马酸还原酶表达升高,因此产生的琥珀酸在肠道内富集。单细胞测序数据提示,腹泻仔猪结肠上皮细胞功能受损,炎症反应增强。体外实验进一步研究发现,富集的琥珀酸一方面通过调节氯离子分泌而导致肠上皮细胞分泌增多,另一方面通过激活MyD88依赖的TLR4信号通路增加肠道炎症反应。总之,miRNAs表达减少导致微生物产生的琥珀酸在肠道内过量富集,进而促进肠道分泌和炎症反应,从而引起腹泻。该研究进一步丰富了仔猪腹泻的发生机制,为腹泻防控提供了理论依据。
      在全球畜禽养殖业逐步禁用促生长抗生素背景下,腹泻防控成为断奶仔猪饲养管理的重中之中。然而,仔猪腹泻的诱因复杂多样,相关分子机制尚有待解析。中国科学院亚热带农业生态研究所印遇龙院士团队近期研究发现,断奶应激导致腹泻仔猪的肠道微生物、代谢物和miRNAs组成均发生显著改变。其中,ssc-miRNA-425-5p和ssc-miRNA-423-3p的缺失导致Prevotella菌属丰度增加,且其富马酸还原酶表达升高,因此产生的琥珀酸在肠道内富集。单细胞测序数据提示,腹泻仔猪结肠上皮细胞功能受损,炎症反应增强。体外实验进一步研究发现,富集的琥珀酸一方面通过调节氯离子分泌而导致肠上皮细胞分泌增多,另一方面通过激活MyD88依赖的TLR4信号通路增加肠道炎症反应。总之,miRNAs表达减少导致微生物产生的琥珀酸在肠道内过量富集,进而促进肠道分泌和炎症反应,从而引起腹泻。该研究进一步丰富了仔猪腹泻的发生机制,为腹泻防控提供了理论依据。
      该研究成果以Intestinal accumulation of microbiota-produced succinate caused by loss of microRNAs leads to diarrhea in weanling piglets为题发表在Gut Microbes杂志上。该研究得到国家自然科学基金项目、湖湘青年英才项目、中国科学院青年创新促进会项目以及国家现代农业产业技术体系项目的共同资助。
      论文链接
      基于肠道miRNAs-微生物轴的断奶仔猪腹泻发生机理
    2022-06-28
  • 移动基因组增加弧菌基因组可塑性的机制获揭示

      6月27日,中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室研究员王晓雪团队通过研究珊瑚体内具有生态竞争的假交替单胞菌和弧菌之间的互作,揭示了一种移动基因组增加弧菌基因组可塑性,驱动弧菌遗传和表型多样化的机制。相关研究成果以“Mobile Genetic Elements Used by Competing Coral Microbial Populations Increase Genomic Plasticity”为题,在线发表于The ISME Journal(《国际微生物生态学学会杂志》)。 
      弧菌属是物种多样性最丰富的细菌属之一,包含能引起人类疾病的病原体霍乱弧菌、副溶血弧菌和创伤弧菌,以及感染鱼类、珊瑚和其它海洋无脊椎动物的溶珊瑚弧菌、罗氏弧菌和溶藻弧菌等。弧菌是珊瑚共生总体的重要成员,具有多样的代谢活性,参与珊瑚共生体的有机质代谢和元素循环。弧菌大多具有生长快,运动能力强,生物膜形成能力强等特点,在复杂有机质丰富的区域容易过度生长降低珊瑚共生微生物物种多样性,影响珊瑚健康。对比健康和疾病珊瑚个体微生物多样性发现,珊瑚感染疾病后,微生物多样性明显降低。 
      假交替单胞菌是珊瑚共生微生物的重要类群,其与弧菌具有相同的营养利用,占据相同的生态位,彼此之间会频繁竞争互作。以往的研究发现,假交替单胞菌由于其可以通过分泌活性化合物直接杀死弧菌、或者抑制群体感应等方式对抗弧菌,也因此被认为是一种潜在的珊瑚益生菌。  
      本研究利用团队前期建立的一种无创采样方法,从健康的丛生盔型珊瑚的消化循环腔中分离到优势的假交替单胞菌和溶藻弧菌。研究发现当溶藻弧菌与假交替单胞菌共培养时会产生部分弧菌突变株。深入的机制研究发现,来自假交替单胞菌属的两个可自主移动的遗传元件,一个整合接合元件 (integrative and conjugative element, ICE) 和一个可移动基因岛 (mobilizable genomic island, MGI) 的紧密合作,触发了溶藻弧菌中一个重要的“适应性基因岛”(Vibrio phenotype influencing island, VPII)的切除,导致溶藻弧菌的生物膜形成能力和噬菌体抗性显著降低,但同时其运动性增强,利于向其他生态位扩张。研究还发现,这些移动基因组(mobilome)成员(ICE、MGI和VPII)在革兰氏阴性菌中广泛存在,表明移动遗传元件的协同作用可能在增加微生物组成员的基因组可塑性方面非常普遍。 
      珊瑚共生菌往往会采取多种策略来抑制弧菌的过度生长,该研究报道了一种新的策略,共生细菌利用移动基因组来增加竞争对手的基因组可塑性,导致生态位分化,维持珊瑚共生总体中微生物物种多样性(图1),为利用珊瑚共生菌维持珊瑚共生总体菌群平衡保护造礁珊瑚的健康提供了技术支持。 
      图1. 移动基因组增加微生物物种多样性的示意图 
      南海海洋所副研究员王鹏霞为该论文的第一作者,王晓雪为该论文的通讯作者。本研究工作得到广东省本土创新团队、国家自然科学基金、中科院青促会、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)重大专项等项目的资助。 
      相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41396-022-01272-1 
      
    2022-06-28
  • 亚热带生态所主持完成的中科院STS区域重点项目在广东化州通过验收

      6月24日,由中国科学院亚热带农业生态研究所承担的中科院STS区域重点项目“粤西相对贫困区农村污染综合生态治理与资源化技术研发集成与示范”验收会在广东茂名化州市召开。日博体育app下载分党组书记、院长陈广浩,亚热带生态所副所长陈洪松,化州市委书记邓泽友、化州市副市长黄佑全等出席会议。会议由日博体育app下载副院长孙龙涛主持。来自广东石油化工学院、中国科学院华南植物园、中国环境日博体育app下载院、广东省科学院生态环境与土壤研究所、化州市财政局等单位的有关专家组成专家组。
      会上,项目负责人李裕元研究员向专家组详细汇报了项目的科技目标及日博官方网站目标、考核指标完成情况、主要成果、示范推广及技术辐射情况等。项目主要围绕粤西地区农村养猪业分布集中、农村污染治理难度大及工程后续维护成本高等突出问题,集成构建以中小规模养殖场及分散型生活污水污染为主的生态治理和资源化利用模式。经过两年来项目组的共同努力,针对粤西地区的生产实际研发并形成了养殖粪污生态治理技术规程和农村环境综合治理技术模式各2套,并在多个乡镇开展技术培训,参加人员达300人以上,培训科技骨干20余人,与当地政府和环保企业密切合作,实施治理养殖场20余家,建立示范工程4处。
      专家组一致认为项目圆满完成了任务合同书规定的各项指标,同意通过验收。陈广浩认为项目组的研究成果及应用在当地取得了很好的反响,建议将项目治理技术进一步在化州乃至广东省推广,并把化州打造成养殖粪污和生活污水生态治理的范本。邓泽友表示,市委市政府会全力以赴将本项目的技术在本市落地、推广,并达成了与日博体育app下载战略合作的初步意向。陈洪松对化州市委市政府及有关部门对本项目实施过程中的密切配合与支持表示感谢,并希望该项目技术进一步打造升级版,尤其在治理模式方面要逐步走向规范化,亚热带生态所也将会在人力、物力方面给予支持。会前,与会人员一同前往化州市同庆镇瓦窑坡村实地考察了项目生活污水生态治理示范工程点。
      日博体育app下载、亚热带生态所相关部门负责人、项目组骨干成员、化州市农业农村局、茂名市生态环境局化州分局等有关人员参加了验收会。
      考察现场
      座谈会现场
      验收会议现场
      
    2022-06-27
  • 中石油大港油田绿色能源发展战略研究项目通过验收
    6月22日,大港油田绿色能源发展战略研究项目评审会在天津召开,大港油田电力公司总经理夏艳铎主持会议,广州能源所科技处处长白羽、能源战略与低碳发展研究室主任赵黛青参加会议。大港油田科技信息处、新能源事业部、规划计划处、生产运行处、安全环保处、土地公路管理部、土地管理服务公司、电力公司各科室共22名专家和领导参加评审。
      6月22日,大港油田绿色能源发展战略研究项目评审会在天津召开,大港油田电力公司总经理夏艳铎主持会议,广州能源所科技处处长白羽、能源战略与低碳发展研究室主任赵黛青参加会议。大港油田科技信息处、新能源事业部、规划计划处、生产运行处、安全环保处、土地公路管理部、土地管理服务公司、电力公司各科室共22名专家和领导参加评审。 
      会上,项目负责人、广州能源所能源战略与低碳发展研究室汪鹏研究员作成果汇报,介绍了大港油田的能源消耗、碳排放总量、油田可利用土地及太阳能和风能等资源基础及趋势评估,模拟了各变电站的“源网荷储一体化”系统最优化容量配比,分析了投资收益及社会环境效益,并进一步研究了大港油田参与绿电及碳市场交易机制的策略及模式,为油田提出了通过绿电自发自用减少外购电等碳排放的获益模式的建议。 
      大港油田专家对项目成果表示了充分肯定,一致认为项目成果对油田发展新能源技术提供了理论与数据支撑,具有极高的战略价值,项目组高质量完成了预期的研究任务,同意结题。 
      会后,项目组一行开展了实地考察,参观了油田新规划的48MW光伏的选址及浅层地热供暖与制冷设备等。项目组与大港油田专家就油田未来碳中和路径展望展开了深度交流,并探讨了双方在地热开发利用、综合能源系统管理等方向上开展进一步合作的可行性。 
      在国家“双碳”政策的背景下,大港油田制定了增加绿电使用占比、减少油田生产碳排放等一系列目标。本项目对大港油田北部、中部及南部全部区域变压器供电范围内的用电负荷、资源条件、消纳能力及电力平衡等进行分析,确定在满足项目合理收益要求前提下,最大化开发风光资源,提出新增光伏、风电建设及对应储能系统的配置方案,减少对大电网的调峰和备用容量需求,最大限度的消纳新能源,促进大港油田绿色低碳发展。 
      评审会现场
      部分与会人员合影
      
    2022-06-27
  • Sens. Actuators B-Chem. | 用于光动力学治疗和实时疗效监测的级联靶向新型光敏剂的研发
    一种具备线粒体/RNA级联靶向及荧光转换功能的新型光敏剂,并将其用于肿瘤细胞的光动力学治疗及实时疗效监测。
      近日,中国科学院深圳先进技术研究院医药所王怀雨、李鹏辉团队在Sensors and Actuators B: Chemical上发表了题为“Mitochondria/RNA Cascade-targeted and Fluorescence-switchable Photosensitizer for Photodynamic Therapy Augmentation and Real-time Efficacy Self-monitoring”的文章,报道了一种具备线粒体/RNA级联靶向及荧光转换功能的新型光敏剂,并将其用于肿瘤细胞的光动力学治疗及实时疗效监测。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员宋国芬博士为论文第一作者,王怀雨研究员和李鹏辉副研究员为共同通讯作者。 
      论文上线截图
      图1:新型级联靶向光敏剂原理示意图
      光动力学治疗中调控光敏剂的靶向部位、获取及时的疗效评估反馈极大程度上影响着其治疗效率。线粒体作为细胞呼吸必不可少的细胞器,是数十条致死信号转导途径的汇合点,也是光动力学治疗最有效的靶点之一。但是,线粒体靶向的光动力学治疗可有效地诱导细胞凋亡,但往往也会激发细胞自噬与凋亡竞争,从而产生一定的抗药性。研究团队将线粒体定位、活性氧生成和RNA识别基团有效整合到一起,开发了一种新型多功能小分子光敏剂。这种光敏剂可首先靶向在线粒体中,在光动力学治疗过程中可产生活性氧自由基破坏线粒体的功能、降低线粒体膜电位;继而从线粒体迁移到RNA,并伴随荧光的显著增强,从而实现了线粒体和RNA的级联靶向,抑制了细胞的自噬,促进线粒体路径的细胞凋亡。而且此过程中RNA专一性的荧光增强也可用来实时监测治疗效果。此项研究启发了多靶向荧光转换的单分子光敏剂的设计,同时开发了一种选择性识别肿瘤细胞、级联多靶向和监测细胞损伤的新诊疗模式。 
      图2. 光辐照中光敏剂的迁移靶向效果、原理和荧光响应性展示
      该工作获得了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究项目以及深圳市基础研究项目等项目的支持。
      原文链接: https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132260 
      
    2022-06-27
  • 日博官方网站在固有手性氮杂八员环化合物的对映选择性合成与应用方面取得进展
    国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)对手性(chirality)的定义为,如果一个刚性物体和它的镜像不能完全重叠,就称它具有手性。刚性物体的这种几何性质,在微观世界也普遍存在。当具有手性的有机小分子(客体)通过和生物大分子(主体)的相互作用来干预生物功能时,主、客体就存在手性匹配的问题。此时,客体分子的两种对映异构体往往表现出显著的生物活性差异,有时甚至截然相反。因此,精准地合成手性有机小分子的单一对映异构体,而非其与镜像结构的混合物,即对映选择性合成是有机化学重要的基础研究方向之一,对药物化学,化学生物学等交差学科的研究具有重要的意义。
      国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)对手性(chirality)的定义为,如果一个刚性物体和它的镜像不能完全重叠,就称它具有手性。刚性物体的这种几何性质,在微观世界也普遍存在。当具有手性的有机小分子(客体)通过和生物大分子(主体)的相互作用来干预生物功能时,主、客体就存在手性匹配的问题。此时,客体分子的两种对映异构体往往表现出显著的生物活性差异,有时甚至截然相反。因此,精准地合成手性有机小分子的单一对映异构体,而非其与镜像结构的混合物,即对映选择性合成是有机化学重要的基础研究方向之一,对药物化学,化学生物学等交差学科的研究具有重要的意义。 
      图1. 传统的手性化合物类型 
      分子的手性主要有中心手性,轴手性,平面手性和螺旋手性这四种(图1)。目前绝大部分的手性分子,不管是天然的还是人工合成的,都可以用以上四种手性类型归属它们的手性特征。然而,科学家们在研究大分子和超分子过程中发现,有些分子尽管局部不含有以上的手性因素,但分子整体却表现出手性。德国化学家B?hmer在深入研究杯[4]芳烃的手性现象后,于1994年提出了固有手性的概念(J. Inclusion Phenom. Mol. Recognit. Chem. 1994, 19, 17-39)。固有手性通常是指中环或者大环分子,由于其环状结构大大限定了分子的自由度,当分子的稳定构象与其镜像结构之间不能自由互变(互变能垒ΔG > 30 kcal/mol)且不能重叠而表现出来的手性。尽管分子的局部不含有传统的四种手性因素,固有手性是分子整体的固有的特性,这一特点和螺旋手性类似。虽然中环分子也常常是有机化学家们的研究对象,但是它们偶尔表现出来的固有手性现象却常常被忽视。其中,手性的四邻亚苯类化合物是个例外(图2,1)。这类化合物具有独特的稳定的马鞍型结构,它被广泛应用于超分子、材料,以及不对称催化领域。香港中文大学的黄乃正院士团队对其进行了深入的研究(Natl. Sci. Rev. 2017, 4, 892-916)。但是,目前获得光学纯的手性四邻亚苯类化合物往往是通过拆分的方法获得,拆分效率较低、操作繁琐。对于具有类似的稳定马鞍型构象的氮杂八员环类似物(图2,2-6),它们的稳定构象与其镜像结构之间的互变能垒虽然比四邻亚苯1低很多,但也普遍在30-40 kcal/mol之间,是比较稳定的手性化合物。对它们的不对称合成以及它们的衍生物作为手性配体或者催化剂的应用研究,在国内外还是空白。对这类八员环的手性属性问题,也没有得到广泛的共识。 
      图2. 固有手性八员环骨架 
      异腈基团作为一类结构特殊的官能团,被广泛应用于含氮杂环的合成中。其中,朱强团队在钯催化的官能化异腈的不对称转化研究中,取得了一系列创新性成果,成功的应用于含中心手性,平面手性和轴手性的含氮杂环构建中(图3)。
      图3. 钯催化的官能化异腈的不对称转化研究 
      在此基础上,朱强团队报道了通过联芳基二异腈基连续插入有机钯物种,然后被分子间亲核试剂终止的新型三组分偶联反应策略,以良好的收率和优异的对映选择性构建了一种新型的固有手性四邻亚苯氮杂类似物(图4)。这是固有手性氮杂八员环化合物的首次对映选择性合成。 
        
      图4. 固有手性四邻亚苯氮杂类似物的全新合成策略 
      最近,他们又发展了手性磷酸CPA催化的不对称缩合环化策略实现了这类化合物的对映选择性合成(图5)。廉价易得的联苯二胺和苯偶酰在手性磷酸CPA催化下直接发生不对称缩合环化,实现了固有手性6,7二芳基二苯并二氮杂环辛四烯类化合物(DDD)的首次不对称合成。该反应无需金属参与、原料易得,水为唯一副产物,反应条件温和,收率高,对映选择性好。在此基础上首次获得了高度光学纯的邻二酚衍生物DDDOL,并且以此为全新的固有手性骨架,开发出多种新颖的固有手性配体及催化剂。团队中罗爽副研究员通过DFT计算研究了反应历程,揭示了对映选择性来源。 
      图5:DDD类化合物的不对称缩合环化策略 
      值得一提的是,朱强团队成功将通过以上策略获得的固有手性氮杂八元环骨架开发为一系列新型的固有手性试剂、配体和催化剂(图6),其中多个结构均可大量制备。 
      图6. 新型固有手性氮试剂、催化剂和配体    
      这些结构新颖且独特的固有手性氮杂八元环试剂、催化剂和配体在多种不对称转化中,大多都表现出优异的结果。例如,化合物13作为手性转酰化试剂,对外消旋伯胺类化合物以及氨基酸酯进行有效地拆分(图7)。脱除酰基后的固有手性氮杂八元环母核15可以几乎定量回收,且ee值保持,因此可以重复使用。 
      图7. 新型固有手性酰化试剂应用于转酰化反应 
      其次,在Rh催化烯酰胺的不对称氢化中测试了DDDOL衍生的亚磷酰胺配体18,初步结果表明,其具有同经典亚磷酰胺配体相同或相近的结果(图8,a)。此外,将DDDOL衍生的双膦配体22应用于Pd催化的烯丙基胺化反应中,以优异的对映选择性首次实现了在此类反应中同时引入中心手性和C-N轴手性(图8,b)。并且,与经典的BINAP配体比较,在他们发展的固有手性配体下,产率更优异。这些手性配体和催化剂在多个不对称反应展现出的优异结果,可以和现有的优势骨架配体形成互补,为众多的不对称反应提供候选配体和催化剂。以上的研究势必会引起国内外学者对中环化合物固有手性问题的重视。 
      相关研究成果分别以Communication和Article发表CCS Chemistry上(CCS Chem. 2021, 3, 3427-3435;CCS Chem. 2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202201901)。CCS Chemistry 于2019年创刊,是中国化学会独立创办的第一本国际杂志,是中国化学会的旗舰新刊。主编和常务副主编分别由中国化学会理事长姚建年院士和吉林大学校长张希院士担任。论文通讯作者为朱强研究员和罗爽副研究员,课题组2019级博士生罗宇为第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的支持。 
      
    2022-06-22
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