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精彩回顾丨16位国内外学者齐聚西湖大学,对话化学最前沿

11月3-4日,西湖大学2023年化学前沿论坛正式举行。此次会议邀请了16位活跃在化学领域前沿的国内外学者,与西湖大学师生就物理化学、材料化学、化学生物学及有机化学等领域前沿问题展开深入探讨。

西湖大学副校长、理学院执行院长、徐益明讲席教授邓力在开幕致辞中表示,欢迎各位参会专家的到来,期待借此会议契机互相交流学习,增进了解和合作。

以下是论坛各领域的演讲内容精彩回顾:

# 物理化学 #

Prof. Richard N. Zare

美国斯坦福大学化学系教授Richard N. Zare是美国国家科学院院士和中国科学院外籍院士、沃尔夫奖和美国国家科学奖章获得者。他介绍了最近水微滴在有机与无机合成反应方面的新发现和可能的广泛应用前景。不同于体相水中的酸碱平衡,在微滴表面的作用下,界面水分子可能被分解为氢原子与羟基自由基;这两种高活性物质可以在界面上诱发一系列在体相中需要极高活化能的反应,例如:无催化剂苯甲酸制苯酚、甲烷制甲醇以及常温常压合成氨等。这一研究为一系列基础化学品提供了一条低能耗的绿色化学合成路径,规模化后有望推动绿色化工的发展。

Prof. Chong Fang(方翀)

美国俄勒冈州立大学化学系教授方翀,介绍了其团队使用超快拉曼光谱技术在分子结构和动力学的相关研究。方翀发展了可调谐的飞秒受激拉曼光谱技术用于拍摄“分子电影”,即在分子运动的时间尺度上,观察其结构和激发态的变化,开创性地研究了荧光以及其他非辐射过程。在绿色荧光蛋白以及其他颜色的荧光蛋白研究中,研究团队揭示了其发光过程背后的具体机制。这可以帮助更好地理解、模仿、利用自然,并在生物传感、结构设计等诸多问题中展开应用。

Prof. Wei Xiong (熊伟)

美国加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学系教授熊伟,介绍了其团队如何在光学空腔(Optical Cavity)中运用光子调控分子基团的振动模式。空腔中光与分子的融合可以通过影响分子的微观行为,来改变化学反应和能量传递的速率和路径。此外,他还进一步阐述了该体系在化学、生物化学以及量子信息科学领域应用的广阔前景及其所面临的挑战。这一系列研究成果展示了用光调控分子这一物质组成单元在众多科学领域未来发展方向上的巨大潜力。

Prof. Tianquan (Tim) Lian (连天泉)

美国埃默里大学化学系教授连天泉详细介绍了其研究团队在光电催化表界面领域的最新研究进展。通过原位振动和频光谱(VSFG)技术,探讨了电化学界面电场调控表面分子振动及光引发热电子驰豫的微观机制,为深入理解光/电催化中的热电子转移和电场感应现象提供了新的思路和启发。

Prof. Guanhua Chen (陈冠华)

香港大学化学系教授陈冠华介绍了通过机器学习方法构建严格交换关联(XC)泛函的工作。密度泛函理论是应用范围最广的量子化学计算方法,其准确性取决于所用的近似XC泛函形式。研究团队基于深度学习研究精确XC泛函形式,大大增强了密度泛函理论计算结果的准确性。基于机器学习的XC泛函,团队能够在一秒钟不到的时间里预测一个任意给定分子的能量、生成热以及其他性质,预测的值与实验值高度相近。这为准确模拟大体系的动力学与光谱带来了可能性。

Prof. Jiali Gao (高加力)

美国明尼苏达大学化学系、深圳湾实验室系统与物理生物学研究所教授高加力,介绍了其发展的多态密度泛函理论(MSDFT)及其在光合成和光受体蛋白激发态过程中的应用。MSDFT将Hohenberg-Kohn 定理从密度泛函理论的基态推广到N个本征态。该理论表明系统哈密顿和多态密度矩阵存在一一对应关系,也就是说哈密顿量是密度矩阵泛函。然后利用变分原理,可以得到所有N个本征态的能量和密度。更进一步,密度矩阵可以被N^2个非正交的Slater行列式充分表示,因此可以引入最小活化空间(MAS)用于实际计算。MSDFT已经在Qbic量化软件中编码执行,在分子的核心层激发、价层的局域和电荷转移激发态的计算取得了良好的计算结果,并应用于光合成和光受体蛋白激发态过程的研究。


# 材料化学 #

Prof. Xiangfeng Duan (段镶锋)

美国加州大学洛杉矶分校化学和生物化学系教授段镶锋介绍了团队在单层原子晶体-分子超晶格方面的最新研究成果,从化学的视角出发,结合二维无机材料和功能分子,精准合成高质量超晶格,利用分子对二维无机材料性质的调控,可控实现特定的电子学、自旋电子学和光学性能,制备高速、低能耗的晶体管和高效的发光器件。报告中着重介绍了其团队近期发展的手性分子插层超晶格,作为一种强大的固态手性材料平台,实现具备超高磁阻的自旋选择隧穿结,并表现出手性超导体的特征,有望丰富人工手性材料家族、加深对于手性诱导自旋选择效应和手性超导现象的理解、拓展拓扑量子计算的材料体系并催生新原理自旋电子器件。

Prof. Xiaogang Liu (刘小钢)

新加坡国立大学化学系教授、新加坡国家科学院院士刘小钢介绍了科研团队针对上转化纳米颗粒做出的一系列创见性的工作。该类纳米材料利用镧系稀土元素将多个低能光子转换成一个高能光子,通过掺杂特定元素形成多层核-壳结构,可以在很大范围内精确调控它们所转化生成的光子波长。报告还介绍了发光纳米晶体在辅助技术,多光谱成像、光探测与光场成像的应用,比如用牙齿咬合结合机器学习调控发光颜色,并进一步操控电动轮椅的走向。


# 化学生物学 #

Prof. Jianghong Rao (饶江宏)

美国斯坦福大学医学院和化学系教授饶江宏带来了关于生物成像的精彩报告。饶江宏介绍了利用半胱氨酸(Cysteine)和氰基苯并噻唑(Cyanobenzothiazol, CBT)作为底物的生物正交反应,可以在体内合成具有成为治疗药物潜力的链状以及环状聚合物。同时团队开发了新的活体正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography, PET)成像的化学探针及方法。通过这些方法,利用多样的酶和底物,可以实现多尺度多模态的生物体内成像。

Prof. Hang Hubert Yin (尹航)

清华大学药学院教授尹航介绍了其团队对细胞外囊泡(EV)从基础研究到临床转化的工作,包括阐明了STING转运到EV中的机制和功能,报道了一项新的PI4P在调控EV生成的分子机制,以及外泌体分离平台的开发,为神经退行性疾病和癌症的临床早期诊断和治疗提供了新的方向。

Prof. Lei Wang (王磊)

美国加州大学旧金山分校教授王磊介绍了近年来发展的邻近效应诱导的蛋白质共价交联工作。使用基因密码子扩展技术,王磊团队在蛋白质中定点插入了含有磺酰氟基团的非天然氨基酸(SFY),并通过SFY与邻近的亲核基团形成分子间共价连接。凭借此项技术,王磊课题组成功实现了蛋白质与多糖以及蛋白质与RNA的共价交联。此外,他们进一步拓展了此项技术在蛋白药物中的应用,通过在多种抗体中定点插入SFY,实现了高效的抗体与靶点间的交联,显著提高了抗体药物在肿瘤模型中的疗效,为开发新一代抗体药物提供了全新的思路。

Prof. Huan Wang (王欢)

南京大学化学化工学院教授王欢,介绍了其和团队持续开展的研究工作,关注环肽的化学结构和生物活性,在讲座中讲解环肽的化学和酶法的合成。这些方法在化学生物学和药物化学领域将得到应用,得到有机化学、药物化学和生物科学界的关注。


# 有机化学 #

Prof. Jin-Quan Yu (余金权)

麦克阿瑟天才奖获得者、美国斯克里普斯研究所教授余金权,介绍了其团队在碳氢键活化领域的持续性工作进展。其研究团队以发现新反应活性,以及实现位点选择性、立体选择性,和反应的可持续性为目标,在碳氢键活化领域持续耕耘。他们发展了不同钯催化碳氢键活化反应中的不同配体与催化体系,为有机合成化学中广受关注的领域提供了一系列新方法,为药物分子和其他复杂天然产物分子的后期修饰提供了新思路、新途径。

Prof. Ang Li (李昂)

中国科学院上海有机化学研究所研究员李昂,介绍了其团队在天然产物仿生合成方面的工作。李昂研究团队受生物合成的启发,侧重于关键化学键的构建与切断,提出了更为通用的仿生合成策略。其研究克服了传统仿生合成会受限于底物、反应等的缺点,并由此高效地完成了虎皮楠生物碱等一系列天然产物的全合成。因其在合成领域出色的研究和贡献,李昂获得Thieme-IUPAC有机合成化学奖、科学探索奖等诸多重要奖项。

Prof. Dawei Ma (马大为)

中国科学院院士、未来科学大奖得主、中国科学院上海有机化学研究所研究员、南方科技大学教授马大为,介绍了其团队在草酰二胺类配体促进的铜催化芳基胺化和烷基化反应的研究进展。相比较于传统的配体,草酰二胺类配体能够显著降低铜催化剂的用量,并且适用于廉价易得但活性较低的氯苯类化合物,不仅可以在较温和的条件下以优秀的收率实现偶联反应,而且相比贵金属催化体系成本大幅降低,为偶联反应的大规模工业化提供了一个更经济环保的方法。目前该方法已经广泛应用于新药开发和重要药物中间体的工业制备。

Prof. Stephen L. Buchwald

沃尔夫奖获得者、美国麻省理工学院化学系教授Stephen L. Buchwald,为师生们作题为“钯催化的碳-杂键形成反应-用于大分子与小分子官能团修饰”的报告。Buchwald教授介绍了钯催化碳-氮键生成反应的发展历史,总结了该团队开发联芳基膦配体以促进各类碳-杂键生成反应的历程,并分享了此类配体在医药小分子和蛋白质等生物大分子的合成及修饰中的重要应用。

本次会议还通过海报展示拓展交流形式,促进学生及青年研究人员与资深学者的深度对话,加强青年研究人员的科研熏陶。

专家从50余份海报中遴选8份优秀海报,西湖大学化学系系主任张鑫教授主持颁奖环节,邓力教授和孙立成教授共同为获奖同学颁奖。

中国科学院院士、西湖大学理学院讲席教授、人工光合作用及太阳能燃料中心主任孙立成致闭幕辞。孙立成再次感谢嘉宾的精彩报告及与会人员的热情参与,期待未来展开更多的交流探讨与思想碰撞。