引入逆向思维和设计理念的有机合成实验教学改革——以基于逆合成分析法的肉桂酸合成为例

以经典有机化学实验项目——肉桂酸的合成为例,介绍在有机合成实验教学中引入逆向思维的教学设计,经改进后,实验融入了丰富的思政元素,逆向推理思维模式的引入,避免了“照方抓药”式的实验教学;学生通过探究多条合成路线构建目标分子,进一步加深了对有机合成内涵的理解;本项目融入了三项诺贝尔化学奖成果,确保了教学内容的前沿性和先进性。

山西合成生物产业发展现状及趋势

山西作为资源型经济省份,实现碳达峰碳中和意义重大。合成生物学利用合成生物技术大大减少碳排放, 符合绿色低碳发展的要求,是山西省重点发展的产业链之一。为响应国家“双碳”战略目标,2020 年 10 月,山西省 综合改革示范区引进凯赛生物,打造全球首个百万吨级生物基新材料项目,启动建设“山西合成生物产业生态园”, 形成了完整的产业集群设计。为助力山西合成生物产业的发展,山西省率先开展合成生物学人才培养,2021 年 2 月 由时任山西省委书记楼阳生揭牌成立山西大学合成生物学学院。学院于 2022 年获教育部批准建设合成生物学本 科专业,2023 年获批建设合成生物学交叉学科博硕士学位点,形成了完整的本硕博一体化培养体系。申请获批合 成生物产业学院,着力打造一所体制创新、特色鲜明、致力于合成生物学领域高素质人才培养和科技创新的高水平 新型学院,助力山西省经济转型跨越发展。本文放眼国际,立足山西,就合成生物产业及学科建设现状及趋势进行 综述。

《合成化学》征稿简则

《合成化学》主要刊载化学化工领域各分支学科最新的研究成果、研究动态以及发展趋势。主要包括有机合成、高分子合成、生化合成及无机合成等方面的基础研究和应用研究的中文研究论文、快递论文、研究简报、制药技术以及关系合成化学领域各学科的综合评述。

《合成化学》征稿简则

《合成化学》主要刊载化学化工领域各分支学科最新的研究成果、研究动态以及发展趋势。主要包括有机合成、高分子合成、生化合成及无机合成等方面的基础研究和应用研究的中文研究论文、快递论文、研究简报、制药技术以及关系合成化学领域各学科的综合评述。来稿的观点、内容和写作必须具有原创性。论点明确、结果可靠、结构严谨、文字精练。

《合成化学》征稿简则

《合成化学》主要刊载化学化工领域各分支学科最新的研究成果、研究动态以及发展趋势。主要包括有机合成、高分子合成、生化合成及无机合成等方面的基础研究和应用研究的中文研究论文、快递论文、研究简报、制药技术以及关系合成化学领域各学科的综合评述。来稿的观点、内容和写作必须具有原创性。论点明确、结果可靠、结构严谨、文字精练。

4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮的生物与非生物的合成途径研究进展

4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮(4-hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone,HDMF)是一种具有焦糖香的天然活性产物,在食品工业中具有极高的应用价值。该文对HDMF化学合成、美拉德反应、酶法催化、植物合成代谢以及微生物合成途径进行了全面阐述。化学合成为工业合成主要方法,但是存在原料价格昂贵、溶剂残留等问题;美拉德反应是热加工食品中形成HDMF的重要方式;植物合成代谢途径是农产品中形成HDMF的重要途径,形成路径较为清晰,但工业应用受到限制;微生物合成HDMF具有绿色可持续发展特性,但相关研究滞后,微生物代谢途径目前不清晰或存在争议,缺乏对关键底物、代谢途径及关键酶系等的基础认知,是今后利用微生物途径合成HDMF急需要解决的重要科学问题。

蛾类性信息素生物合成研究进展

昆虫性信息素特异性强、使用方便且绿色安全,利用性信息素防治农林害虫符合我国农林绿色发展的需求,应用前景广阔。解析蛾类性信息素的生物合成路径,明确其关键催化酶,可为利用合成生物学手段生产蛾类性信息素提供重要的理论依据。按照化学结构和生物合成途径的不同,蛾类性信息素可分为Type-Ⅰ、Type-Ⅱ、Type-Ⅲ和Type-0四大类,且以前两类为主,分别占已鉴定种类的75%和15%左右,而Type-Ⅱ类环氧化烯烃性信息素中,约54%为单环氧化烯烃。上述两类性信息素合成部位不尽相同,其中Type-Ⅰ类性信息素在雌蛾的性腺中合成,Type-Ⅱ类性信息素中的多不饱和烯烃是在绛色细胞中合成的,而环氧化反应是在性腺中进行的。在合成路径和关键催化酶方面,Type-Ⅰ类性信息素是由脂肪酸代谢途径从头合成的,目前报道较多的合成相关的催化酶为去饱和酶、脂肪酰基辅酶A还原酶、醇氧化酶和乙酰基转移酶;Type-Ⅱ类性信息素以食物源的亚油酸或亚麻酸为起点合成,已鉴定的关键催化酶有末端脱氢酶、载脂转运蛋白和P450环氧化酶。此外,文中还阐述了利用植物和酵母细胞生成Type-Ⅰ类蛾类性信息素研究现状,探讨了目前利用合成生物学技术合成蛾类性信息素方面尚待解决的问题,提出了未来研究仍需关注的重点,为深入开发蛾类性信息素生物合成工厂提供参考。

手性δ-取代己内酰胺化学/酶串联一锅法合成及立体构型调控

报道了一种以1-取代高烯丙基胺为原料,结合酶催化动态动力学拆分与分子内烯烃复分解反应串联一锅法制备手性δ-取代己内酰胺的方法。分别用脂肪酶和蛋白酶作为动态动力学拆分催化剂,实现了手性δ-取代己内酰胺立体构型的调控。通过该方法制备的R-δ-取代己内酰胺的对映体过量值(enantiomeric excess,ee)均在90%以上,产率维持在76%以上;所制备的S-δ-取代己内酰胺的ee也在82%以上,产率均高于70%。

生物合成法生产麦角硫因的研究进展

麦角硫因(ergothioneine,ERG)作为一种稀有的天然含硫组氨酸衍生物,已被证明具有强大的抗氧化性和诸多生物学功能。因此,ERG受到越来越多研究人员和产品开发人员的关注。目前,ERG已被广泛应用于食品、化妆品和医疗等行业。研究表明只有少数细菌和真菌可体内合成ERG,植物、动物和人类自身均不能直接合成ERG,只能从其他来源获取。ERG可通过生物提取法、化学合成法以及生物合成法获得,但由于传统生产方式(生物提取法和化学合成法)存在产量低、生产效率差和生产成本较高等问题,限制了该产品的规模化生产和应用。因此,亟需开发一种高效、经济且安全、可靠的ERG生产方式以满足市场的需求。近年来合成生物学快速发展,利用基因工程、蛋白质工程和代谢工程等技术提高生物合成法生产ERG的能力已逐渐成为研究热点。本文将论述ERG的生物学活性和功能,介绍ERG生物合成途径和ERG在食品、化妆品和医疗等行业的应用前景,比较ERG主要的生产方式,总结并梳理近年来采取各种工程策略通过生物合成法生产ERG的研究进展;并就如何利用基因工程、蛋白质工程和代谢工程提高ERG产量提出几点工程策略,以期为生物合成法高产ERG提供理论参考和研究思路。

合成生物学发展与展望

合成生物学作为认识生命的“钥匙”、改变未来的颠覆性技术,打开了从非生命物质向生命物质转化的大门,实现生命体系的理性设计与编辑,为生命科学研究提供了新范式,引领生物技术迭代发展,催生下一代生物制造新质生产力,塑造未来生物经济。发展二十余年来,合成生物学领域已取得系列突破,创新应用逐步实现,学科体系逐渐形成。合成生物学发展内容主要包括以下三个方面:一是理论体系的提出与构建;二是使能技术的系列突破;三是创新应用的逐步实现。基于合成生物学“造物致知”和“造物致用”核心理念,本文提出,合成生物学的未来发展趋势即人工合成单细胞生命和人工智能(AI)驱动的生物制造。

国标《食品中合成着色剂的测定》历次修订浅析

人工合成着色剂是通过化学反应人工合成的一种有机染料,具有着力强、色彩鲜亮、易调色、成本低廉等特点,被广泛应用于食品行业。合成着色剂主要由苯、萘等有机化合物制成,人体吸收后会在体内积蓄、分解,对人体有潜在致癌性。因此,我国出台了相关规定对合成着色剂的使用进行规范,也颁布了国标《食品中合成着色剂的测定》,规定了食品中合成着色剂的检测方法。经查询,国标《食品中合成着色剂的测定》最早于1985年颁布,随后于1996年、2003年、2016年、2023年进行了四次修订。

合成摩擦材料在轨道交通领域的应用与发展

合成摩擦材料以其重量轻、摩擦系数稳定、性能可调节性强等优点,成为轨道交通列车制动装置中的关键材料,主要产品应用于制动的合成闸片、合成闸瓦和用于踏面清扫及修形的研磨子。综合概述了合成摩擦材料在我国轨道交通领域的发展历程,详细介绍了3种产品的物理力学性能和摩擦性能特点,并就合成摩擦材料在铁路机车、城市轨道交通列车、动车组列车等轨道交通上的应用实例和发展情况做了分析。基于列车行驶和制动的复杂工况,对合成摩擦材料在使用过程中常见的金属镶嵌、裂纹、异常磨耗等问题进行成因剖析并提出解决策略。面对轨道交通“提速、重载、轻量化、安全”的发展趋势,提出合成摩擦材料在深化基础理论研究、更高速度等级应用及摩擦副匹配关系等方向的发展需求,为我国在合成摩擦材料的研究及应用提供参考和思路。

生物法合成熊去氧胆酸研究进展

熊去氧胆酸(UDCA)是治疗肝胆疾病的基础性药物,对某些癌症和神经系统疾病也有辅助治疗作用。化学工艺合成UDCA对环境不友好、收率低,尚不能满足生产需求;生物法合成UDCA具有转化率高、节省能源、对环境友好的特点,目前是UDCA合成的研究发展方向。生物法合成是以廉价易得的鹅去氧胆酸(CDCA)、胆酸(CA)或石胆酸(LCA)为底物,通过7α-HSDH、7β-HSDH、LDH和GDH四种酶催化合成UDCA,合成方法分为游离酶催化和全细胞合成,其中游离酶催化常采用“一锅两步法”或“一锅一步法”合成UDCA;全细胞催化是以构建的工程细胞作为反应容器,利用细胞表达的酶系催化合成UDCA。本文综述了游离酶催化和全细胞合成UDCA的相关用酶、合成方式及合成工艺的研究进展,为UDCA的研究生产提供技术参考。

寧夏大學 化学化工学院 有机合成化学研究团队

顾培明教授团队立足于有机化合物的精准合成,紧密围绕宁夏地区特色植物资源的深度开发需求,开展手性催化剂的设计与改造,并在此基础上进行有机合成方法学、天然产物合成与开发研究。近五年来,团队成员主持(完成)7项国家自然科学基金项目、十余项省部级及企业委托课题。团队致力于环丙烷型羧酸铑催化剂的设计与应用、叠氮化合物介入的多种手性催化反应以及宁夏特色植物资源中若干活性天然产物分子的合成研究,并获授权国家发明专利1项,在Org Lett,Chem Commun,J Org Chem等期刊发表学术论文40余篇。

综合有机合成实验苯佐卡因的课程思政设计

将传统的合成路线和条件都给定的综合有机实验“苯佐卡因的合成”,改造成路线可设计、条件可优化的创新性实验。学生通过文献调研、综合分析以及评估合成策略和具体实验条件,提出兼顾宏观(路线)和微观(具体条件)的改进实验方案,规避原实验的局限性和不足。根据学生专业和培养方案的不同,开放部分或全部“权限”给学生,从不同层级原料出发,设计绿色、高效的合成路线,确定具体的实验方案;或根据建议路线,调整和优化实验条件,使学生在得到基础实验操作技能训练的基础上,其绿色、高效、可持续发展的合成理念也得到进一步升华。鼓励学生运用科学思维,将学科前沿成果引入实验实践中,培养学生科学创新能力。引导学生从全局出发,提升团队合作意识和能力。

近十年天然产物药物的生物合成研究进展

天然产物一直是潜在的先导药物的重要来源,天然产物及其结构类似物在历史上对疾病治疗做出了重大贡献,特别是对癌症和传染病的治疗。在过去两百年的时间里,天然产物的发现和研究经历了巨大的变化,由传统的分离鉴定为主的经典研究方法转为了基因组时代的多学科组合研究。虽然近二十年发现和挖掘了丰富的活性天然产物,但与自然界中巨大的天然产物合成潜力相比仍有不足,庞大的陆地和海洋天然产物资源尚待开发。同时,与传统的化学合成分子相比,天然产物具有丰富的骨架多样性和结构复杂性,在新药发现中展现了巨大的优势。虽然在天然产物的新药创新方面仍面临着种种挑战,但新的分析技术和挖掘策略的出现有望迎来天然产物发现的新阶段。本文总结了近十年(2014年1月—2023年10月)美国食品药品监督管理局批准成药的天然产物及源自天然产物的半合成药物,并对其中纯天然产物来源分子、重要的半合成天然产物前体的生物合成研究进展进行了详细总结。此外还简要总结了一些FDA批准的老药在过去十年中取得的重要生物合成研究进展。期望通过对成药天然产物生物合成途径及机制的深入理解,为更多天然产物创新药物的发现和研究提供借鉴。

微生物法合成γ-氨基丁酸的研究进展

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)是一种四碳非蛋白质氨基酸,在食品、农业、医药、化工等领域具有广阔的应用前景。微生物法生产GABA因其温和、可持续发展等优势越来越受到人们的关注。因此,为了得到环保、便捷且效率更高的GABA生产方式,以满足食品、制药和畜牧领域对添加剂的严格要求,本文系统介绍了GABA的生产方法、生物体中的合成途径及微生物法生产GABA的研究进展,总结了目前全细胞催化法和微生物从头合成GABA的生产水平。研究者们致力于筛选和优化具有高催化效率和稳定性的酶并通过对微生物的代谢途径进行精细调控,以提高GABA的合成效率,未来的研究需要进一步优化酶和菌株的性能,降低生产成本,并探索更大规模的工业化生产途径。

一种宽带行波管功放大功率合成优化设计

结合功放的主流合成架构,分析了影响功放合成效率的原理。针对宽带行波管功放研制过程中遇到的大功率条件下合成效率过低问题,提出了基于功率检测的相位优化合成方法,实现了大功率宽带行波管功放额定输出功率范围内末级合成效率从74%提升到91.6%。

可再生能源电制氢合成氨系统的并/离网运行方式与经济性分析

可再生能源电制氢合成氨(renewablepowerto ammonia,Re Pt A)是风力发电、光伏发电等可再生能源的大规模消纳方式之一,也是化工行业实现低碳清洁发展的重要技术路线之一。利用风电光伏电解水制氢合成氨系统模型,分析电网调峰型系统、电网友好型系统、工艺离网型系统的绿氨成本,并对电化学储能设备规模、储氢设备规模、电解水制氢设备规模、电解水制氢设备效率等影响因素进行敏感性分析。基于3种绿氨系统的设备配置方案和运行方式评估不同类型系统所需的电网调峰电量,提出3种系统所适合的应用场景。研究结论是近期应该发展电网友好型RePtA系统,远期应该发展工艺离网RePtA系统。

合成孔径雷达快速后向投影算法综述

后向投影(BP)算法是合成孔径雷达成像算法发展的重要方向之一。然而,由于BP算法具有较大的计算量,阻碍了其在工程应用上的发展。因此,近年来如何有效地提高BP算法的运算效率受到了广泛的重视。该文讨论了基于多种成像面坐标系的快速BP算法,包括距离-方位平面坐标系、地平面坐标系和非欧氏坐标系。该文首先简要介绍了原始BP算法的原理和不同坐标系对加速BP算法的影响,并对BP算法的发展历程进行梳理。然后讨论了基于不同成像面坐标系的快速BP算法的研究进展,并重点介绍了作者所在研究团队近年来在快速BP成像方面完成的研究工作。最后介绍了快速BP算法在工程上的应用,并展望了未来快速BP成像算法的研究发展趋势。