化学家梦寐以求的五个化学反应

许多药物具有非常相似的结构，如果你去研究那些最常见的药物，就会发现它们有一些共同点：都具有密集的官能团，有至少一个环状结构和一些裸露的氨基或羟基，通常还有一个散落的氟原子。

造成这种有共同之处的现象的部分原因是：化学家只能利用已知的化学反应和那些可用的构建模块来研发药物。另外，他们还需要考虑生物学，因此所有的反应必须能够耐受简单氮原子，因为它们几乎存在于每一种生物活性化合物中。

从最简单的化学反应到诺奖级别的化学反应，每一个化学家都有一张自己的愿望清单，在清单上面列举的是一些他们希望存在的化学反应。我们下面要列出的5个反应，或许会出现在许多化学家的列表当中。

氟化反应

氟化反应是指在具有许多官能团的分子中，将某一个特定的氢原子替换成一个氟原子。它的入选并不令人意外，超过20%的商业药品都含有氟，能将碳氢键转化为碳氟键可能会占据许多化学家的愿望清单榜首。

虽然让分子氟化的方法有很多，但它们都需要添加另一个反应基团，然后将这个基团置换成氟。而化学家真正想要的是一种能直接将氢原子置换成氟原子的有效方法。目前的一些直接的氟化反应经常会产生位置异构体或过氟化物，因而造成选择性问题，再加上当只加入一个氟原子时几乎不会改变一个分子的反应活性或物理性质，因此在反应后要去除多余的反应物和副产物并不是一件容易的事情。

杂原子烷基化

这一类反应想要做的是将一个烷基有选择地附着在杂环化合物的杂原子上。

目前，化学家无法对2-吡啶酮或4-吡啶酮中的氮原子或是氧原子选择性地附着任何物质，最终通常只能得到N-烷基吡啶酮和烷氧基吡啶的混合物。

许多用于药物中的杂环也存在类似的问题。例如，吡唑和三唑是分别含有两个和三个氮原子的杂环化合物，它们有着非常相似的反应性质，因此没有什么试剂组合能够选择性地修饰其中的某个特定氮原子。对于那些包含几个杂环的化合物，就更不要妄想能进行有选择的烷基化了。

碳偶联

化学家希望能通过碳偶联来缝合脂肪族化合物的碳原子。

20世纪70年代，化学家发现了交叉偶联反应，它能在钯的催化作用下将芳香族碳原子或其他sp²碳原子结合在一起，形成碳碳键。传统的平面交叉偶联反应很容易实现，但这种方法正受到越来越多的限制，化学家希望出现三维的偶联反应。如果一个反应能够有效地连接芳香族碳原子和脂肪族碳原子，那将是化学家梦寐以求的。

在交叉偶联反应中，钯作为催化剂的优势在于，它的氧化态和氧化还原反应可以被很好的控制。但是，尽管钯的催化循环完美地适用于sp²碳片段的偶联反应，它却并不能很好地作用于脂肪族偶联反应。有时候会出现我们并不想要的副反应取代原本期待的反应的情况，在更糟的情况下，反应甚至会完全停止。

但无论是用什么金属做催化剂，所有的交叉偶联反应都需要预官能团化，也就是要事先将反应基团附着在偶联剂上，这样催化剂就知道要在哪个位置连接碳原子了。化学家希望完全摆脱预官能团化的需要，他们的目标是把碳氢键直接转化成碳碳键。

生成和编辑杂环

化学家希望能将各种官能团安装在芳香族和脂肪族杂环上的任意位置。如果用一个反应就能够生成全新的杂环，那就更好了。

杂环化合物是药物化学家的主要研究对象。大约60%的小分子药物都有一个杂环核心。到目前为止，最常见的杂环化合物有哌啶、吡啶和吡咯啶，其他还有如青霉烷等共计25种含氮杂环。

许多小的杂环化合物可以通过商业渠道买到，但那些不能买到的就得亲自合成了，这成了一个主要的难题。许多专为芳香烃设计的反应并不太适用于杂环芳香烃。氟化试剂会与杂环反应，将杂环化合物氧化，那些作为交叉偶联反应的催化剂的金属表面，经常会因为被吸附上杂环而失去催化作用。

原子交换

化学家希望能有选择地交换单个原子，比如将环上的一个碳原子和一个氮原子互换。碳-氮交换反应或许是药物研发中最有用的一个新反应，它甚至能与诺奖级别的合成反应比肩。

这是极难实现的化学反应，一旦实现，将会彻底改变药物化学领域。那时，化学家将无需再担心如何将官能团化杂环，也无需再担心如何在只有少数氨基的情况下进行交叉偶联反应。它就像是基因编辑的化学版本，可以将一个已经构建的分子中的碳原子置换成氮、氧或硫原子。

有的化学家认为这是种不现实的设想，因为它实在太难了。但也有科学家认为，在CRISPR-Cas9出现之前，人们也认为定向基因编辑技术是不可能的。因此，这个反应是否会实现或许只是时间问题。

用于破案的纳米材料

世界上没有两片相同的树叶，也没有两个相同的指纹。每个人的指纹就如同个人的“身份证”。如今，指纹已被应用到身份验证（比如手机的指纹锁）、侦查破案和法医调查等众多的领域，无论是影视作品还是现实案例，罪案现场的指纹帮助侦探们破获了无数案件，让罪犯得以被绳之以法。

然而，指纹的提取往往受到真实环境的影响，导致部分信息缺失。用传统的方法很难从橡胶、布等表面粗糙的材料上检测到指纹。近日，国家纳米科学中心蒋兴宇研究员和查瑞涛博士等研究者在Nanoscale·Horizons上发表文章，报道了一种荧光纳米纤维化纤维素/碳点纸，可以从不同材质表面上高效的提取和检测潜在指纹，实现粗糙表面的指纹快速可视化。

研究者以柠檬酸（CA）为主要碳源、1,2-乙二胺（EDA）为氮源合成氮掺杂CD。NFC由于具有高表面积、多孔性、可调表面化学性能和优异的机械性能，可以作为荧光CD的支撑材料。通过微波处理和成型，即可得到荧光NFC/CD纸。电镜表征结果表明，制备的CD的直径分布很窄（20-30nm），而NFC呈现出明显的纳米纤维结构，使CD能很好地附着在NFC上。CD荧光量子产率可达11.8%，而NFC/CD分散液在360nm紫外光的激发下呈现亮蓝色。

接下来，研究者利用制备的NFC/CD纸从不同材质表面上提取和检测潜在指纹，并与当前常见的指纹检测技术进行了比较。使用NFC/CD纸可以从玻璃、纸、墙面、布、平面或曲面橡胶等不同材质的表面上提取潜在指纹，再用氰基丙烯酸酯熏蒸，随后利用超顺磁性氧化铁纳米粒子染色，即可显示出清晰的指纹。在测试用的各种表面上，NFC/CD纸的效果要普遍优于直接熏蒸、染色或商用胶带，特别是橡胶表面，除了NFC/CD纸，其它方法均无法获得清晰的指纹。值得一提的是，NFC/CD纸上的CD在360nm激发波长下具有优异荧光特性，可以提供荧光信号增强指纹特征和背景的对比度，从而进一步提高指纹的检测灵敏度。

研究者进一步分析了NFC/CD纸转移和检测指纹的机理。潜在指纹的残留物可以通过毛细效应、亲水效应和非特异性吸附效应粘附在NFC/CD纸上；氰基丙烯酸酯熏蒸时，会与残留物反应，通过阴离子聚合生成聚氰基丙烯酸酯，有效地消除了干扰信息；超顺磁性氧化铁纳米粒子则是通过静电相互作用和非特异性吸附实现染色，可以让指纹更清晰地显示出来。为了测试NFC/CD纸的灵敏度，研究者用它获取的潜在指纹中的汗孔特征与实际手指进行比对。可以看到，NFC/CD纸检测的指纹中，汗孔可以准确地成像，尺寸分布在21-46μm之间，与手指上实际汗孔46-57μm的尺寸分布虽有差距，但位置分布完全吻合。指纹三维模型可以有效消除背景信号的干扰，显著提高对比度。研究者将不同方法获得的指纹图像转换为三维模型以比较特征点，发现NFC/CD纸依然表现优秀，保留的特征点最多，丢失的细节信息最少，特别是在橡胶、布、纸的表面尤为出众。研究者还比对了几种用传统方法在不同材质表面上获得的指纹图像与在玻璃上通过标准方法（固定和染色）获得的指纹图像的相似度，结果表明传统的方法难以从粗糙的橡胶材质表面获取指纹（相似度低于30%），而使用NFC/CD纸以后，从橡胶材质表面上得到的指纹更加清晰，相似度超过60%。

综上，NFC/CD纸具有优良的光致发光性能，可以提高检测过程中的对比度、灵敏度和准确度，成功地保留了指纹图案的细节，如脊线、汗孔等特征，可以提取粗糙表面上的潜在指纹。结合NFC纸的良好机械强度、柔韧性、浸润性等特点，这种指纹提取和分析技术在法医调查、图像分析、智能手机、个人识别、移动支付等领域具有巨大的应用潜力。 

让人又爱又“恨”——激素

激素是人体内环境的调节剂，调控着你代谢活动的每一步。不同的激素有不同的功能和分泌机制。你的日常仪式、运动、睡眠、心情，你整个的生活状态，都会影响激素的分泌，进而影响代谢。

生活中我们的很多行为都与各种各样的激素相关，就连长高长胖也和激素相关。接下来让我们看看生活中与我们相关的激素。

“消化”

作为第一种被发现的动物激素，促胰液素，是一种帮助消化的激素。像这样的间接帮助消化的激素还有促胃液素、缩胆囊素等，它们被统称为胃肠激素。胃肠激素与神经系统有共同调节消化器官的功能，其作用主要有以下几个方面。

1.调节消化腺的分泌和消化道的运动

一种激素能对多种胃肠功能有调节作用，一种胃肠功能又受多种胃肠激素的影响。

2.调节其他激素的释放

抑胃肽有很强的刺激胰岛素分泌的作用，这对防止血糖升得过高而从尿中丢失具有重要生理意义。此外，生长抑素、胰多肽、血管活性肠肽等对胰岛素、生长激素、胰高血糖素和促胃液素等激素的释放均有调节作用。

3.营养作用

营养作用是指一些胃肠激素具有促进胃肠道组织的代谢和生长作用。例如，小肠黏膜Ⅰ细胞释放的缩胆囊素有促进胰腺外分泌组织生长的作用。

4.调节食欲

饥饿激素、瘦素等胃肠激素可调节食欲以及血糖。

“生长”

提到生长，想必第一个闯入脑海的就是生长激素了。生长激素主要由脑垂叶前体叶分泌。它能促进骨骼、内脏和全身生长，促进蛋白质合成，影响脂肪和矿物质代谢，在人体生长发育中起着关键性作用。而且，生长激素还能促进脂肪的分解。这就是为什么在青春期的时候我们不仅身高长得快，而且同时身体脂肪含量也不会很高。

但是过了青春期，生长激素的分泌就没有那么旺盛了。不过，适当的运动可以促进生长激素的分泌。

睾酮，是一种性激素。男性体内由睾丸分泌。对于女性，卵巢则是其主要的合成场所。睾酮能维持肌肉强度及质量，维持骨质密度及强度。大肌肉群多关节参与的运动能增加睾酮的分泌，对增肌非常有利。当然这种效果是因性别而有差异的。对男性来说，睾酮能够促进肌肉生长，从而变得更加强壮；而对女性来说，一定的运动从而增加睾酮的分泌能够使身材更加匀称紧致。

“双刃剑”

激素当然是帮助我们进行各种生命活动的好帮手，但是激素过多或是过少都会导致内环境的紊乱从而引发疾病。

胰岛素具有促进血糖合成糖元，有加速血糖分解的作用，但倘若分泌不足则易得糖尿病。

幼年时期甲状腺激素分泌不足易得呆小症，而成年后甲状腺激素分泌过多易得甲亢。

幼年时生长激素分泌过少会导致侏儒症，过多则又会导致巨人症。成年后生长激素分泌过多还会得肢端肥大症。

这些还只是由于身体内部紊乱导致身体机能出现相关问题。除此之外，还有外部影响导致身体出现异常的情况。

“激素脸”是药物性痤疮导致的一种现象，也称激素性痤疮，是因为间断或者是长时间的滥用激素药膏或暗含激素的美容化妆品，引起激素的毒副作用所造成的一种严重皮肤病。

“激素脸”有别于普通的皮肤敏感或是过敏，它不仅严重地破坏了皮肤的正常生理结构和功能，还对患者的整个身体健康造成了影响，而且给治疗上也带来了很大的困扰。

在过去的时代中，由于生长激素无法人工合成，导致生长激素疗法走过不少弯路。科学家曾将从牛和猪身上获得的生长激素，用在人体身上，但效果并不理想。

尽管和其他物种的生长激素相似，但人类的生长激素仍具有一定程度的特异性。在后续的研究中更是发现，非特异性的生长激素如牛、猪生长激素等还会引起人体排异反应。

这意味着，想要获得适合人类使用的生长激素，还必须得回到人类的身上。于是科学家将视线转向了尸体——从尸体中提取生长激素。

可是当时由于朊病毒的存在，导致生长激素被污染，从而引发了克雅氏病，导致了一场灾难，国际上也随即禁用了尸源型生长激素。在此之后，一批人工合成的生长激素便投入了使用，其生物活性和人体制造的生长激素几乎一样，却几乎不会受到朊病毒的污染。

由此我们得出，激素是人类生活中不可或缺的一部分，但激素的外用至今仍需谨慎。