化学领域⼗⼤新⽅向或将改变我们的世界
2019年是化学领域⾮常特殊的⼀年。2019年是两个重要的纪念⽇：国际纯粹与应⽤化学联盟(IUPAC)成⽴100周年，以及迪⽶特⾥·门捷列夫⾸次发表元素周期表150周年。IUPAC是⼀个全球性的组织，在众多的组织中，它为化学研究、教育和贸易建⽴了⼀种共同的语⾔。在成⽴100周年纪念⽇上，IUPAC⾸次公布了化学领域⼗⼤新兴技术名单：纳⽶农药、对映选择性有机催化、固态电池、流动化学、反应挤出、⽤于集⽔的MOFs和多孔材料、选择性酶的定向进化、从塑料到单体、⾃由基聚合反应的可逆失活和3D⽣物打印。
1、纳⽶农药
世界⼈⼝不断增长。⼀些预测表明，到2050年，我们将有将近100亿⼈⼝。为了保护作物可持续发展，需要⼤量增加农业产量，最⼤限度地减少⼟地利⽤⽅⾯的环境影响，减少所需的⽔量，并减少⼈⼝数量。农药，如化肥或农药污染。不出所料，纳⽶技术正在吸引制药和健康⾏业以外的相当多的关注。量⾝定制的纳⽶输送系统也可以成为农民的⼀个很好的⼯具，因为它最终将使他们能够解决传统农药的主要问题，如环境污染，⽣物累积和抗⾍害的⼤幅增加。在⼤多数情况下，疗效的提⾼⾮常有限。然⽽，在某些情况下，研究⼈员观察到在实验室条件下改进了⼀个数量级。我们仍然需要在⽥间条件下对纳⽶杀⾍剂的功效进⾏适当的评估。
这就是为什么⼀些公司仍在调查他们的潜⼒，证明这项技术仍有希望。加拿⼤Vive Crop可能是最好的例⼦，销售的产品⽐⾮纳⽶商业替代品具有更好的吸收性和更少的环境影响。此外，该公司最近获得了美国环境保护局的批准，将各种纳⽶包封的杀⾍剂和杀菌剂商业化。纳⽶技术可能不是成功的新的，更具可持续性的农业的唯⼀成分，但它肯定会导致更复杂的农⽤化学品，对环境和⼈类健康的影响更⼩。
2、对映选择性有机催化
化学家⼀直受到⼤⾃然的启发。⼏年前，研究⼈员梦想有⼀种新型催化剂，与⼤多数天然酶⼀样，不需要使⽤昂贵的⾦属。“有机催化”诞⽣于20世纪90年代后期，从那以后它⼀直没有停⽌过。根据该领域的领先专家之⼀Paolo Melchiorre 的说法，有机催化是成功的，因为“它⾮常民主，每个⼈都可以在不需要昂贵的试剂或⼿套箱的情况下使⽤它，这使得许多年轻的研究⼈员能够开始他们独⽴的职业⽣涯，并迅速组建了⼀个国际专家社区，成为没有⾦属的催化思想的伟⼤孵化器，“他解释说。
最初，⼀些化学家批评有机催化不像它声称的那样绿⾊ - 它需要⾼催化剂负荷，⽽且，反应后很难回收催化剂，这似乎违背了催化的定义。然⽽，Melchiorre指出研究⼈员如何克服⼤多数这些问题。他说有机催化的最初焦点是“开发新⽅法⽽不是降低催化剂负荷”。
然⽽，由于化学家了解降低催化剂⽤量可能产⽣的⼯业影响，他们只使⽤百万分之⼏的有机催化剂来
制定⼿性碳 - 碳键的⽅法。“这仍然⽆法与⾦属相媲美，但成本要低得多，”他补充道。
化学家们还开发了更好地回收催化剂的解决⽅案--Ben List将它们固定在像尼龙这样的固体基质上，这只是众多可能的答案之⼀。Melchiorre强调了有机催化如何种植化学领域并最终在其他领域发挥作⽤，尤其是光催化氧化催化，它允许新型转化：[David] MacMillan创造了两个领域之间的联系。光活化使得醛类与烯胺的烷基化反应成为可能。这种反应不能⽤经典的有机催化⽅法完成。许多其他领域已经从有机催化中出现，现在⼯业已经扩⼤了不对称有机催化⽅案，以合成精细化学品和药物。
3、固态电池
19 世纪已经设想了固态电池世纪由先驱化学家迈克尔法拉第。然⽽，他们的发展直到最近才成为现实。现在，来⾃博世，戴森，丰⽥和英特尔等多个⾏业的重要⾏业正在投资数⼗亿美元。现在⽆处不在的锂离⼦电池的共同发明者John Goodenough最近公布了⼀种使⽤玻璃作为电解质的电池，证明固态电池⽐以往更接近市场。与为我们的智能⼿机，平板电脑和笔记本电脑供电的锂离⼦电池相⽐，固态电池更轻，允许更⾼的能量存储，并且在⾼温下表现良好。此外，与锂离⼦技术中使⽤的电解质不同，固态电解质不易燃，可能避免⾃发⽕灾和爆炸，就像⼏年前三星Galaxy Note 7推出的⽕焰⼀样。然⽽，新技术仍然⾮常昂贵。
对于许多其他应⽤，聚合物可能是最好和最经济的解决⽅案。法国运输公司Bolloré已经在制造和商业
化基于聚合物的固态电池，它们主要⽤于⽹络连接传感器。
根据聚合物专家Tanja Junkers的说法，“电荷输送聚合物确实令⼈着迷 - 我们刚刚看到了未来可能发⽣的事情的开始。”仍有许多研究要做，特别是因为固态电池组件如此紧密地结合在⼀起，以⾄于理解每个组件的⾏为都⾮常复杂。
学术界和⼯业研究⼈员正在密切合作，开发出更好的⾮破坏性操作技术 - 电⼦显微镜和核磁共振 - 以了解固态电池的性能。对于⼤多数⽤途，该技术仍需要⼏年的开发。
4、流动化学
化学是实现联合国可持续发展⽬标（SDGs）的关键，这⼀⽬标是到2030年为所有⼈实现更好，更可持续的未来的蓝图。其中，流动化学，其中反应在不断流动的流中进⾏⽽不是批量⽣产，对于解决SDG12：负责任的消费和⽣产尤其重要。流动化学过程最终将处理有害物质和提⾼⽣产率的风险降⾄最低，同时防⽌危害并降低对环境的影响。虽然有些⼈认为流动化学处于⾮常早期的⼩规模实验室阶段，但⾼效的⼯业应⽤越来越普遍。
早在2015年，⿇省理⼯学院的化学家就证明了流动化学的潜⼒，可以创造出经典批次技术难以实现的定制聚合物。据该领域的专家介绍，流程更快，更简单，更可靠，这与SDG⽬标⾮常⼀致。
最近的实例甚⾄已经显⽰出流动化学可以承受有害试剂如有机锂化合物的潜⼒。默克化学家实现了100千克规模的verubecestat前体合成，这是⼀种阿尔茨海默病的III期候选药物。最近的其他实例包括环丙沙星（⼀种必需的抗⽣素）的流动合成，以及由辉瑞公司开发的⾃动流动系统，该系统能够每天分析多达1500个反应条件，加速了新药和现有药物的最佳合成途径的发现。
5、反应挤出
随着流动化学的发⽣，反应性挤出成为⼀种允许化学反应完全⽆溶剂化的技术。消除潜在有毒溶剂使该过程对环境友好。然⽽，它产⽣了许多⼯程挑战，因为它需要对现有的⼯业流程进⾏全⾯的重新设计。尽管挤出⼯艺已被聚合物和材料专家⼴泛使⽤和研究，但现在只有其他化学家开始研究它们在制备有机化合物⽅⾯的可能性。经典的挤出⽅法涉及在球磨机中研磨试剂，但使⽤螺杆的更先进的挤出技术甚⾄可以允许这些⽆溶剂反应在流动设置中操作。再来⼀次，缺点在于有效地调整系统并扩展它们。在他们的实验室中，化学家们使⽤球磨机来制备⼏种有吸引⼒的产品 - 氨基酸，腙，硝酮和肽 - 并且已经实现了⼀些⾮常经典的有机反应 - 铃⽊偶联，点击化学 - 但是在聚合物之外的反应挤出条件下的实例仍然存在相当难以捉摸。然⽽，稀少的例外显⽰出巨⼤的希望。⽣物技术公司Amgen报道了优化的共晶合成，可⽤于慢性疼痛，这也是机械化学合成的第⼀个例⼦，可扩⼤到数百克。此外，英国的科学家们已经使⽤反应性挤出来有效地制备深低共熔溶剂 - ⼀类可能成为新⼀代绿⾊，⾮易燃溶剂的离⼦液体。前⾯的两个例⼦都涉及分⼦内相互作⽤的形成，但不是新共价键的产⽣。然⽽，
化学家们最近报道了⾦属有机⾻架（MOFs）的形成和螺杆挤出的离散⾦属配合物，为更清洁，更可持续的⽆溶剂化学开辟了新的可能性。
6、⽤于集⽔的MOF和多孔材料
据联合国（UN）称，⽔资源短缺影响了全球40％以上的⼈⼝，并且预计会增加。最重要的是，⼗分之三的⼈⽆法获得安全管理的饮⽤⽔服务。化学可以为这个被确定为SDG 6的问题带来解决⽅案，“改变我们的世界”使⽤多孔材料，特别是⾦属有机框架（MOF）。像MOF这样的多孔材料具有海绵状化学结构，具有微观空间，可以选择性地捕获分⼦，从⽓体 - 氢⽓，甲烷，⼆氧化碳，⽔ - 到更复杂的物质，如药物和酶。虽然⼀些研究⼈员专注于MOF在药物输送和⽓体净化中的应⽤，但Omar Yaghi偶然发现了它们从⼤⽓中捕获⽔的巨⼤潜⼒。“当我们研究将燃烧后⽓体吸收到MOF中时，我们注意到⼀些MOF与⽔分⼦发⽣了独特的相互作⽤，”Yaghi解释道。然后，他们想知道是否有相同的材料“可以”⽤于在⼲旱⽓候中从⼤⽓中捕获⽔分，然后很容易被释放⽤于收集。“这种技术是独⼀⽆⼆的，因为它可以从⼲燥的沙漠空⽓中获取可饮⽤量的纯净⽔，除了⾃然阳光之外不需要能量，”Yaghi说。只需⼀公⽄的MOF就能在湿度低⾄20％的情况下每天收获2.8升⽔。在开发更⾼容量，可能更便宜的集⽔材料时，Yaghi“已经与公司合作，在⼯业规模上测试他们的MOF⽔收割机。”还有其他具有类似能⼒的多孔材料，如硅基和⽆机多孔固体，以及最近报道的模拟仙⼈掌刺结构的仿⽣多孔表⾯只需⼀公⽄的MOF就能在湿度低⾄20％的情况下每天收获2.8升⽔。在开发更⾼容量，可能更便宜的集⽔材料时，Yaghi“
世界上最贵的汽车已经与公司合作，在⼯业规模上测试他们的MOF⽔收割机。”还有其他具有类似能⼒的多孔材料，如硅基和⽆机多孔固体，以及最近报道的模拟仙⼈掌刺结构的仿⽣多孔表⾯[ 只需⼀公⽄的MOF就能在湿度低⾄20％的情况下每天收获2.8升⽔。在开发更⾼容量，可能更便宜的集⽔材料时，Yaghi“已经与公司合作，在⼯业规模上测试他们的MOF⽔收割机。”还有其他具有类似能⼒的多孔材料，如硅基和⽆机多孔固体，以及最近报道的模拟仙⼈掌刺结构的仿⽣多孔表⾯。Yaghi认为，他们中的⼤多数⼈在从低湿度空⽓中吸收⽔的能⼒不如MOF。然⽽，进⼀步的研究当然可以探索到最佳解决⽅案的所有可能性，不仅⽤于收获⽔，⽽且⽤于净化⽔，确保实现联合国最重要的⽬标之⼀ - 实现充分和公平的卫⽣和卫⽣。所有。
7、选择性酶的定向进化
酶的定向进化获得了2018年诺贝尔化学奖。通过定向进化产⽣的酶⽤于制造从⽣物燃料到药物的所有物质。根据诺贝尔委员会的说法，像2018年获奖者弗朗西斯·H·阿诺德这样的化学家“已经控制了进化，并将其⽤于为⼈类带来最⼤利益的⽬的。”
“定向进化需要对数万种变体进⾏实验测试，但[最终]提供⾼活性酶，”SílviaOsuna解释说，他通过先进的计算⽅法研究酶。她认为，与实验中⼈⼯进化的天然酶和酶相⽐，通过合理设计产⽣的最活跃的酶“仍然表现得相当差。”根据Osuna 的说法，关于定向进化的最有趣的事实是“突变[是]远离酶活性位点对酶催化活性产⽣巨⼤影响。”
只有通过分析⼈⼯进化的酶，我们才能学会这⼀点。她通过计算研究酶的领域可能是识别类似趋势的关键，从⽽更好地理解定向进化。“计算是众多⼯具之⼀，加上蛋⽩质⼯程的进步，基因合成，序列分析和⽣物信息学，这将有助于我们化学家制作更集中的[酶]库，”她总结道。
定向进化的局限性尚待发现。在她最近的论⽂中，阿诺德使⽤定向进化“破解”植物酶细胞⾊素P450。现在，它们可以很容易地将碳 - 氢键转化为更复杂的不对称碳 - 碳键。
8、从塑料到单体
“循环经济⽆疑是⽬标，”Tanja Junkers说。化学家应该再次受到⼤⾃然的启发。在那⾥，“⼀切都被重复使⽤，我们应该对我们的合成材料做同样的事情。”这种策略将⼀举两得，“它将解决长期可回收性的问题，并且[需要]到合适的主要[聚合物]构件的来源。”
⼀些聚合物，如聚乳酸（PLA），只需使⽤热量就可以很容易地再循环到它们的单体中。其他如聚对苯⼆甲酸⼄⼆醇酯（PET）可以类似地分解成它们最基本的单元。⾸先，⽤⼄⼆醇处理聚合物，⼄⼆醇将长聚合物链断裂成低聚物。这些较⼩的碎⽚在较低温度下熔化，因此可以过滤以除去任何杂质。然后，⼀旦材料被净化，它就完全分解成单体，然后通过蒸馏再次纯化。
除了经典化学之外，就像阿诺德先前提到的酶促转化⽅法⼀样，⼀些细菌已经进化，这样它们也可以
将PET分解成碎⽚。有时塑料是碳的唯⼀来源，如果你想⽣存，你需要适应。⾄少有⼀种Nocardia具有可破坏PET中酯键的酯酶，最近，⽇本研究⼈员发现了Ideonella sakaiensis，这种细菌可以在六周内分解PET塑料薄膜，这归功于两种不同的酶。然⽽，回收是昂贵的，“塑料世界的利润率很低，每⼀分钱都很重要，”容克斯说。化学家们正在寻更便宜的循环经济选择。此外，随着⽯油变得不那么丰富，塑料的价格会慢慢上涨。但是，除此之外，我们必须提⾼认识，清洁塑料可能更昂贵，但值得。“社会必须愿意为更可持续的选择⽀付更⾼的价格，”容克斯总结道。
9、⾃由基聚合的可逆失活
“⾃由基聚合反应失活（RDRP）是⼆⼗多年前发明的，它彻底改变了聚合物世界，”Junkers解释道。“这些⽅法都依赖于对其他⼏乎⽆法控制的链式反应实施控制的机制，使我们能够设计出与⾃然界正在接近的精确度的聚合物，”她说。RDRP聚合物已在各种领域中得到应⽤：建筑，印刷，能源，汽车，航空航天和⽣物医学设备只是其中的⼀些例⼦。“⼤多数时候，我们使⽤这些聚合物却没有意识到这⼀点，”容克斯说。RDRP已成为⼯业化学家⾮常强⼤和有⽤的⼯具。
但仍有很⼤的发展空间，特别是寻更环保的聚合解决⽅案。现在有许多⽅法只使⽤光来控制RDRP过程，即使不需要使⽤⾦属。近年来，化学家们还开发了RDRP⽅法，这些⽅法可⽤于流动系统，这将使它们朝着更加绿⾊的聚合物和塑料合成⽅向发展。
最后，化学家们还掌握了在⽔性介质中起作⽤的聚合过程，避免使⽤挥发性或有害溶剂。最近的进展使他们能够在⼏分钟内在⽔中获得超⾼分⼦量聚合物，同时保持对聚合物⽀化的精细控制。这些过程中的⼀些可以使⽤⾮常低能量的光源，在某些情况下甚⾄只是阳光。尽管是⼀种成熟的技术，我们可以肯定RDRP⽅法将继续创新，产⽣更⼴泛的商业成功。
10、三维⽣物打印
⽣物打印是当今最有前途的技术之⼀。使⽤由活细胞以及⽣物材料和⽣长因⼦制成的3D打印机和墨⽔，化学家和⽣物学家已经设法制造出与其天然版本⼏乎⽆法区分的⼈造组织和器官。3D⽣物打印可以彻底改变诊断和，因为⼈⼯组织和器官可以很容易地⽤于药物筛选和毒理学研究。这项技术甚⾄可以为不需要捐赠者的理想移植创造组织和器官。⽬前，科学家们已经可以对管状组织（⼼脏，尿道，⾎管），粘性器官（胰腺）和固体系统（⾻骼）进⾏3D打印。最近，剑桥研究⼈员甚⾄设法对视⽹膜进⾏三维打印，仔细沉积不同类型的活细胞层，以产⽣⼀种在结构上类似于原⽣眼组织的构造。
化学在这个⾮常复杂的过程的所有步骤中起着核⼼作⽤。⾸先，需要“扫描”器官和组织以便具有计算模型。这是通过使⽤诸如计算机断层扫描（CT）扫描和磁共振成像（MRI）的成像技术来完成的，这两者通常都需要化学造影剂，例如钆染料。然后，⽣物打印本⾝需要⽆数的化学物质来稳定⽣物墨⽔，触发细胞的组装，或充当印刷组织的⽀架。
最后，3D⽣物打印的对象需要随着时间的推移保持其结构和形式，这是⼀个需要物理和化学刺激的过程。⽽且，就像在任何移植或⼿术中⼀样，⾝体总是存在拒绝印刷组织的风险。了解细胞 - 细胞识别的化学反应，主要是由以糖脂和糖蛋⽩形式包裹膜的糖来控制，是减少排斥反应的关键。化学作为⾼度复杂的3D⽣物打印背后的所有交叉学科的中⼼，将是这种边缘技术的进⼀步发展的关键，据⼀些专家说，甚⾄可以建⽴⽐现有⽣物学更好的新器官。
凭借“化学⼗⼤新兴技术”计划，IUPAC不仅庆祝其过去100年，⽽且还展望了化学的未来。这些进步中的每⼀项都具有确保我们社会福祉和地球可持续性的巨⼤潜⼒。因此，IUPAC将继续在化学国际的未来版本中展⽰这些新兴的化学，材料和⼯程技术。我们的⽬标是促进和突出化学在⽇常⽣活中⽆处不在的贡献，并激励新⼀代年轻科学家⽆畏地接受我们所⾯临的挑战，使他们能够通过研究，创业和创造⼒到解决⽅案。