【期刊】Chem 2022最佳论文专辑

　　

　　物质科学

　　Physical science

　　欢迎来到Best of Chem第五期，这是Cell Press Best of系列的最新作品。随着新冠疫情的逐渐淡化，我们终于可以期待与老朋友面谈叙旧，并在会议和拜访中结识新朋友。2022年，在芝加哥举行的ACS秋季会议上，Chem团队和来自Cell Press的编辑同事们，与众多作者朋友和审稿人一起迎来了Chem的最新影响因子以及Chem Catalysis的创立。在线下，Chem团队参加了中国合肥第十二届全国有机化学会议，时隔多年，第一次参加线下会议，让我们倍感兴奋！在线上，我们继续享受并感谢网络研讨会上优秀演讲者们的付出与陪伴。2023年，无论是在大酒店还是森林小屋，大学礼堂或是会议中心，我们的团队都期待与您相见，并向您亲自介绍这本最新的Best of Chem。同时我们将再次为那些没有出差计划的学者提供免费下载的机会，并希望能在网络研讨会上与您们见面，这也是不断变化世界潮流的一种新趋势。

　　2022年是Chem创刊第六年，发表了来自世界各地的130多篇研究文章。Chem的影响力不断提高，已成为众多作者的首选或主流选择之一。其他活动包括与Chem Catalysis联合出版的均相催化领域联合专刊，在合成有机界的大力支持下得以迅速发展。我们始终保持对可持续发展和环境的高度关注，线上开展了一项主题为“净零未来：脱碳之路”的学术论坛，该论坛与北京市科学技术委员会合作，在短短三天内获得了超过一百万的浏览量。此外，我们还推出了一个关于可持续发展的合辑，以展示发表在Chem上的范例佳作。

　　在本期Best of collection中，Chem团队真诚地希望读者朋友能满意我们所呈现的内容。与以往“Best of Chem”一样，我们团队甄选出这一年发表于Chem期刊中最受欢迎的10篇文章，筛选的唯一指导原则是这些文章必须具有足够的质量、广度、深度、影响力和吸引力，这也是Chem致力于发表的文章所应具备的特质。基于以上原则，本重印系列的文章涵盖了元素化学、化学生物学、主客体相互作用、光化学、电池等多样化主题。我们真诚地希望读者朋友们发现这些文章既饱含洞见又令人喜爱。

　　当我们在2023年2月中旬写下这篇前言时，Chem正在不断发展壮大。优秀稿件接连不断，期刊内容日益丰富，2022年的使用量超过了200万。我们再次欣喜于所取得的成就，并对所有作者、审稿人和读者一直以来的热情支持由衷地表示感谢。最后，我们很高兴地向大家介绍我们的新刊Device，一本持续专注于应用研究和分子机器领域的期刊，将不断为应用物理学、应用材料、纳米技术、机器人、能源研究、化学、生物技术和生物医学、光子学、电子学、工程、物联网等领域的研究人员提供支持。

　　在www.cell.com/bestof你可以查阅整个Cell Press所发表的最佳论文合辑。欢迎浏览所发表于Cell Press上的最新研究成果，详情请查看www.cell.com/chem。希望您们在Twitter上关注我们@Chem CP。同时，欢迎您们访问www.cell.com，浏览在Cell Press期刊发表的所有高质量论文。

　　最后，向我们的赞助商表示诚挚的感谢，在各位赞助商的大力支持下，Best of Chem得以问世，使得我们能够与广大读者朋友们一同分享、交流和学习。

　　Robert Eagling

　　Vjekoslav Dekaris

　　Jiqing Sun

　　Huaiju Wang

　　Gillian Hatzis

　　Chem编辑团队

　　

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　　十篇佳作赏析

　　Sulfondiimidamides: 合成和药物化学中的新官能团

　　

　　磺胺类化合物是一类具有三维结构、化学和代谢稳定性、极性以及可形成氢键的有机物，作为常用官能团进行不同生物活性分子的设计。其单偶氮变体——磺酰亚胺酰胺（sulfonimidamides），自1930年代以来就为人所熟知，因其拥有一个额外的氮原子，产生了新的多样性位点，并可在硫原子处引入手性特征。然而，其双氮杂类似物，sulfondiimidamides的可及性却非常有限，相关研究寥寥无几。本文中，来自英国牛津大学的Michael C. Willis课题组，基于非对称硫二酰亚胺（sulfurdiimide）与有机金属试剂和简单胺的三组分反应，成功地构建了一系列sulfondiimidamide分子。此项工作由于可实现底物多样性以及可调氮原子功能化，使得在三个氮原子和碳原子上引入广泛的取代基成为可能。

　　

　　一种封装的锂-多硫化物电解质的实用型锂-硫电池

　　

　　锂金属阳极与可溶性多硫化锂（LiPS）中间体之间存在严重的寄生反应，阻碍了锂硫电池的实用发展。LiPSs的溶剂化结构是反应动力学的决定性因素。鉴于此，来自清华大学的张强研究团队和北京理工大学的张学强研究团队提出了一种封装型LiPS电解质（EPSE），基于LiPSs纳米异质溶剂化的结构设计，可抑制寄生反应的发生。在EPSE中，以二异丙基硫醚（DIPS）为辅助溶剂，可溶性LiPSs被封装在两个具有不同溶解能力和还原稳定性的同心溶剂壳层中。外溶剂壳层中具有还原稳定性的DIPS显著抑制了封装LiPSs和金属锂之间的寄生反应。在严苛的条件下，一个1.2 Ah的软包电池在EPSE中完成了103次循环。该研究工作为构建EPSE提出了两个关键标准，即应选择具有低溶解能力和高还原稳定性的外溶剂壳层。此项工作有望为调节LiPSs的溶剂化结构以实现长循环稳定的锂硫电池开辟新的发展道路。

　　

　　超动态的阴离子簇有机框架

　　

　　设计可根据客体吸附动态扩张其孔隙的多孔有机框架材料是一个极具挑战性的工作，其困难主要来自于寻求结构刚性和柔性之间的平衡。刚性是保持框架结构稳定性的关键，而灵活性是可逆扩张/收缩的前提。基于此，来自美国达特茅斯学院的柯晨峰、Wenlin Zhang研究团队和艾姆斯实验室Aaron J. Rossini研究团队通过引入硫酸氢盐阴离子团簇作为软性连接体，构建了一种氢键交联的有机框架HCOF-6单晶。在吸收客体分子后，HCOF-6的阴离子团簇被破坏，使得晶体迅速膨胀（小于40分钟），达到原长度的两倍以上。移除这些客体后，HCOF-6的阴离子团簇和结晶性迅速恢复（小于10分钟）。这种由客体诱导的材料尺寸扩张和收缩是高度可逆的，动态的阴离子团簇解离-重组过程由分子动力学模拟和固体核磁实验所证实。文中发展了一种通过引入阴离子团簇合成动态框架材料，由客体诱导HCOF-6产生框架尺寸变化的新策略。

　　

　　通过无金属串联反应实现N-和O-亲核体二芳基化

　　

　　杂原子亲核体芳基化是获得二芳基化合物的主要策略，这类化合物主要用于合成农用化学品、材料和药物等。亲核芳香取代是这类芳基化反应的经典手段，而近期发展的超价碘介导芳基化策略进一步拓广了产物范围。在此项研究工作中，来自瑞典斯德哥尔摩大学的Berit Olofsson研究团队结合这些策略的优势，实现了N-和O-亲核体与两种不同结构的芳基进行无过渡金属催化的高效双功能化，一步法合成了二芳基和三芳基胺以及二芳基醚产物（大于100例）。本篇工作利用特别设计的氟化二芳基碘盐独特的反应性，揭示了超价碘化学的新型反应途径。该方法适用于脂肪胺、苯胺、氨、甚至水的二芳基化，具有对各种官能团和保护基团的兼容性，同时保留了碘取代基的易衍生化特点。

　　

　　具有快速交换动力学以及光转换荧光的三元主-客体复合物

　　

　　分子笼内的限域效应能极大地改变所包覆客体分子的物理化学性质，然而，目前这类主-客体复合物研究主要集中在静态背景条件之下。将限域效应与快速客体交换动力学结合起来，有望为开发刺激响应性超分子系统，并最终为实现快速和可逆的“按需定制”材料的设计与开发铺就道路。在本研究工作中，来自以色列魏兹曼科学研究所的Rafal Klajn团队研究了同时容纳两种配体分子的开放窗口配位笼中包容复合物之间的快速客体交换行为。研究人员使用两种类型的客体，蒽衍生物和BODIPY染料，证实蒽衍生物分子可能通过与BODIPY分子形成非共价键合杂二聚体，从而使得BODIPY分子的光学性质产生非常显著的变化。研究团队还研究了光诱导包覆蒽的共价二聚反应，发现限域作用对反应速率有很大影响。通过将光二聚体化与快速客体交换相结合，该工作开发了一种利用外部辐照来进行荧光调制的新方案。

　　

　　III型光敏剂用于癌症光动力治疗的概念与范例

　　

　　传统光动力疗法（PDT）主要基于I型和II型机制产生活性氧来杀死癌细胞，所使用的光敏剂都需要氧气以发挥的致敏作用。然而，实体瘤存在于缺氧环境中，这就显著影响了光敏药物对肿瘤的治疗效果。来自大连理工大学的彭孝军院士和樊江莉研究团队设计了一类新型光敏剂NBEX（X = S, Se, Te），能够与RNA结合而不受其他物种的干扰，可直接转移激发态能量以破坏癌细胞中的RNA，这种癌细胞杀伤过程完全不依赖于氧气（第III型机制）。值得注意的是，NBEX（X = S, Se, Te）于体内可在数十分钟内自组装成纳米颗粒并在肿瘤区域富集。NBESe在杀灭实体瘤和抑制肿瘤转移方面表现出优异的性能。同时，PDT可以诱导针对肿瘤的免疫反应。这类新型光敏剂有望成为临床治疗癌症的候选药物。

　　

　　金属有机镧铋系团簇单分子磁性体

　　

　　单分子磁体（SMMs）是指在没有外部磁场的情况下能够保持磁极化的分子，展现了基于自旋的信息存储和处理的尺寸极限。缺乏磁交换耦合的多金属镧系复合物能够产生快速弛豫途径，从而削弱了这种SMMs的潜力。采用具有d轨道的反磁性重主族元素有望实现前所未有的强耦合。在该研究工作中，来自英国曼彻斯特大学的Selvan Demir研究团队通过金属有机溶液法合成了两种铋簇桥式镧系元素配合物，[K(THF)4]2[Cp?2Ln2Bi6]（Cp?=五甲基环戊二烯；1-Ln, Ln=Tb, Dy）。中性[Ln2Bi6]异金属立方体的核心由镧系元素中心组成，由罕见的Bi66- Zintl离子桥接，Bi66- Zintl维持着镧元素之间的强铁磁相互作用，使得在仅由镧离子组成的超交换耦合SMMs中罕见地观察到磁阻断和开放的磁滞回环现象。本文中，两种化合物构成了首个含Bi供体的SMMs，为新型量子计算材料的合成开辟了道路。

　　

　　光活性配体实现二合一金属光氧化还原偶联

　　

　　交叉偶联能够简化有机合成过程，受到研究人员的广泛青睐，在许多情况下已成为基础反应。在光诱导的交叉偶联化学中，金属光氧化还原催化处于研究前沿，典型的金属光氧化还原体系由一个发色化合物和一个金属有机复合物的双重催化系统组成。然而，设计这种高度可变、多组分关键组成基元，是合成工作中最具挑战性的课题之一，这是由于确定金属和底物最佳组合往往需要大量的实验。基于此，来自加拿大麦吉尔大学的李朝军院士研究团队为提出了一个简单而具有普适性的解决方案，设计了一种可与一系列过渡金属复合并作为“二合一”金属氧化还原催化剂的光活性配体。文中所设计的双功能系统能够与不同的亲核和亲电偶联基团兼容，并且实现了可见光驱动的C–C和C–X键形成反应。这种新型的非经典策略将有望为新型偶联反应带来更大的化学发展空间，并为广大科学界开展相关研究工作带来新的启发。

　　

　　手性纳米结构金薄膜的光磁-手性各向异性

　　

　　通常光磁效应只存在于具有空轨道和自旋极化的过渡金属原子。虽然贵金属具有高电子密度，但由于不存在电子自旋极化而不能作为光磁材料。在该研究工作中，来自同济大学的车顺爱、韩璐、段瑛滢研究团队发现在手性纳米结构金薄膜（CNAFs）中产生了光磁-手性各向异性（PM-CHA），即在非偏振激光辐照下，在相反手性纳米结构金膜产生方向相反的磁场（PMFs）。研究人员推测，PM-CHA是由相反手性螺旋结构中电子运动诱导产生的有效磁场引起了不对称的自旋轨道耦合，造成特定自旋的定向排列，最终在纳米结构金膜中产生磁场。PM-CHA所产生的磁场强度与手性分子对应体过量线性相关，可应用于对映体定量。综上，由螺旋形纳米结构中的定向自旋控制产生的贵金属PM-CHA有望为量子技术和磁物理学理论的发展提供新的方向。

　　对含核糖体β-氨基酸的肽和蛋白质的广泛微生物利用

　　

　　β-氨基残基在核糖体产物中极其罕见。β-氨基残基可以从特定蓝藻的Nif11型核糖体合成和翻译后修饰肽（RiPP）途径中，通过非典型酶切过程来获得。人们对最终产物的相关功能知之甚少。一项全球性的生物信息学分析，结果出乎意料地发现，核糖体β-氨基酸产物广泛分布于不同的细菌系以及古细菌中。本文中，来自苏黎世联邦理工学院的J?rn Piel研究团队对27个细菌剪接酶-底物对展开特征分析，证实了所有情况下均存在修饰作用。这些“剪接肽”产物包括许多此前未被识别的RiPP类型以及蛋白质，包含35到> 600个残基，并具有单个到多个α-酮-β-氨基酸基团，有15个不同的天然的β单元得以表征， 20种结构得以预测。所有三个被测试的剪接肽都表现出强大的蛋白酶抑制活性，为原核生物中广泛存在的剪接酶化学提供了潜在的理论基础，并在药物发现和基因生物分子多样化研究中具有巨大的应用潜力。