電子報推薦報導中文版

MOF與rotaxane的融合：新型材料MOFaxane

金屬有機骨架MOF (Metal-Organic Framework) 是一種新型的多孔材料，由金屬離子與有機配體組成。MOF的結構類似海綿，其具有大量的奈米孔洞，可以吸附和儲存氣體、液體分子，所以MOF在氣體分離、儲能、催化等領域具有廣泛的應用。在氣體分離方面，MOF可以用於分離二氧化碳、甲烷、氫氣等氣體；在催化方面，MOF還可以用於催化二氧化碳轉化為有用的化學分子，例如甲酸、甲醇等。即使MOF的應用很廣泛，但仍然存在一些限制，例如MOF在高溫、高壓、高濕度等極端條件下容易分解，這限制了其應用範圍。除此之外，MOF的合成和製備過程較為複雜，合成它需要嚴格的反應條件，且製備過程中需要使用有機溶劑，這會對環境造成一定的污染。為了解決上述問題，科學家們正在尋找新型的有機無機混合材料。

近日，日本東京大學的研究團隊成功開發出新型的有機無機混合材料: MOFaxane。MOFaxane是由超長聚合物鏈穿過MOF的孔洞形成的，其概念是MOF與rotaxane (輪烷) 的合體，輪烷是一種互鎖分子，其中的啞鈴形分子穿過大環，這是分子機器最著名的例子之一，也是 2016 年諾貝爾化學獎的焦點。在MOFaxane的結構中，超長聚合物鏈之於輪烷的啞鈴形分子，而MOF之於輪烷的大環。MOFaxane的合成如下，研究人員將 [Cu₂(bdc)₂(bpy)]_n (bdc = 1,4-苯二甲酸, bpy = 4,4′-聯吡啶) 作為MOF主體，接著將超長聚合物鏈 polyethylene oxide (PEO) 作為客體，這一步的作法是將MOF浸泡在聚合物溶液中，接著進行分離、純化，得到MOFaxane。在性質上，研究人員發現MOFaxane的穩定性優於MOF，且其製備過程簡單，不需要使用有機溶劑等有害物質。

甲醛的大氣化學反應：低能量的新途徑

甲醛 (HCHO) 在大氣中是一個重要的化學物種，也是大氣中含量最高的羰基化合物，甲醛可以參與大氣化學反應，例如與大氣中的OH自由基及NO自由基反應，這能夠有效減少甲醛在大氣中的含量。除此之外，甲醛也可以參與光化學氧化反應 (Photocatalytic Oxidation, PCO)，其吸收波長小於330 nm的陽光後會光解形成 H和HCO自由基，接著與氧氣反應形成HO₂自由基，最後再與大氣反應，例如與NO反應形成NO₂，這一連串的PCO反應已為人所知數十年。然而，最近有研究團隊發現，在實驗中以較長的波長照射甲醛時，他們還是測量到了PCO產物，但該能量並不足以讓甲醛斷掉C-H 鍵進行PCO反應，這個結果說明了甲醛其實可以透過另一種途徑來形成PCO產物。那麼科學家有辦法找出這神秘的途徑嗎?若找到的話，這將對於理解大氣化學反應和大氣污染有重要的意義。

近日，澳大利亞新南威爾士大學的研究團隊找到了這條神秘途徑，他們稱此途徑為光物理氧化反應 (Photophysical Oxidation, PPO)，該反應過程如下: 甲醛吸收陽光後，在分解成H和HCO自由基之前，會先與大氣中的氧氣碰撞發生反應，形成HO₂自由基，最後再與大氣反應。在實驗上，研究人員在有氧氣存在的情況下使用低能量激光束照射甲醛分子，並使用紅外光譜分析形成的產物，雖然可以探測到HO₂自由基與其他化合物形成的產物，但無法得知在反應途中是否生成了HO₂自由基。所以該研究團隊使用了光腔衰盪光譜 (Cavity ring-down spectroscopy，CRDS) 實驗來監測反應途中是否生成了HO₂自由基，這是一種高靈敏度的光譜技術，專門用於測量氣體中的吸收，其原理如下: 一束光脈衝射入光腔中，然後在光腔中反射多次，藉此增強光與氣體分子的相互作用，從而提高測量的靈敏度。該儀器讓團隊成功發現了PPO反應途中確實生成了HO₂自由基，該研究團隊也透過計算發現，發生PPO反應所需的能量僅約為PCO的一半。

金屬金屬鍵新突破：二鈹茂

鈹（Beryllium）是一種化學元素，其原子序數為4，化學符號為Be。它是一種輕量級的鹼土金屬，具有低密度、高熔點和高導熱性能。因為鈹具有極高的生物毒性，所以其化學性質是所有非放射性元素中最少被研究的，而鈹具有高毒性的原因是其離子半徑非常小，導致它的電荷密度非常高，這使得它能夠與生物分子中的許多官能基發生強烈的相互作用。然而鈹-鈹鍵有辦法存在嗎? 鈹-鈹鍵的存在挑戰了傳統的分子軌域理論，根據理論，雙鈹分子 (Be₂) 的鍵序 (bond order) 應該為零，即沒有真正的化學鍵。因此，科學家們一直在探索鈹-鈹鍵的本質和特性，以深入理解化學鍵的性質，並推動化學理論的發展。然而，近年來的研究表明，在氣態的Be₂分子中，鈹-鈹鍵實際上具有一定的鍵序，並且具有一定的共價性質。在凝聚相 (如固體或液體) 中，迄今為止還沒有成功分離出具有鈹-鈹鍵的化合物。這是因為鈹-鈹鍵在凝聚相中的穩定性非常低，並且很容易被其他分子或離子的相互作用所破壞。那麼化學家們最終有辦法合成並分離出含鈹-鈹鍵的化合物嗎?

近日，牛津大學的研究團隊已成功合成並分離出第一個具有鈹-鈹鍵的穩定化合物，二鈹茂 (diberyllocene, CpBeBeCp)。合成方式如下: 研究人員在室溫及惰性氣體條件下將BeCp₂與二聚鎂 (Mg₂Cp₂) 混和，進行還原反應，接著得到目標產物二鈹茂，其產率高達85%，且可以透過昇華來純化。透過X光繞射分析，二鈹茂的鈹-鈹鍵為2.05 Å，該結果與之前的計算結果符合。在反應性上，二鈹茂可作為還原劑與metal-iodide complexes (metal = Al and Zn) 進行反應形成鈹-鋁鍵化合物及鈹-鋅鍵化合物。

單環無痛升級成雙環：藥物開發新曙光

環狀有機化合物是有機化學中的一個重要分支，它們的分子結構中包含了一個或多個環，這些環的結構不僅影響著分子的物理性質，還決定了分子的功能和反應性，因此環狀有機化合物在藥物、天然產物化學中扮演著重要角色。許多藥物分子都含有環狀結構，例如，噻唑啉 (Thiazoline)、吡唑啉 (Pyrazoline)、噻吩 (Thiophene) 等等。這些環狀結構不僅可以增強分子的溶解性，還可以調節分子的立體結構和電子性質，從而影響藥物的生物活性和代謝途徑，因此環狀有機化合物的設計和合成對於新藥物的開發具有重要的意義。近年來，研究人員開始關注如何從單環有機化合物直接一步合成得到雙環有機化合物，因為雙環是許多重要天然產物及藥物的基本骨架，若能研發出簡單的方法得到雙環有機化合物，那麼該方法將極具吸引力。未來的科學家們能找到這個方法嗎?

近日，德國明斯特大學與美國加州大學洛杉磯分校的研究團隊成功找出了從單環有機化合物直接一步合成得到雙環有機化合物的方法，他們以波長450nm的LED燈激發光氧化還原催化劑 (acridinium salt, [Acr-Mes₂][BF₄]) ，然後以此氧化噻吩衍生物與具有高度環張力的二環丁烷 (bicyclo[1.1.0]butane, BCB) 反應，最後就能得到雙環有機化合物。該團隊透過該法合成了至少50種以噻吩衍生物為骨架的雙環有機化合物，且大部分產率有70%以上。研究人員指出，這項研究中只試驗了硫雜環，未來也許可以衍生出以氮雜環或氧雜環為骨架的雙環有機化合物。

看得見的單分子：掌性翻轉

立體化學在有機合成和生物催化中佔有非常重要的地位，對有機合成來說，分子的立體結構可以影響反應速率、選擇性和產物的立體化學。對生物催化來說，許多生物分子（如蛋白質、核酸和糖類）都具有複雜的立體結構，這些分子的立體結構可以影響它們與其他分子之間的相互作用，進而影響生物，例如在蛋白質的折疊過程中，其立體結構可以決定其功能和穩定性。因此，對於探索生物系統和開發新藥物，理解分子的立體化學是相當重要的。拜科技所賜，現代化學家們已經對立體化學有了非常深入的理解，目前能夠通過實驗和理論計算來預測分子的立體結構、反應機制和反應產物的立體化學，例如X射線晶體學、核磁共振光譜學、質譜分析等方法都可以用來確定分子的三維結構；量子化學計算、分子動力學模擬等計算方法也可以用來預測反應過程中的立體效應。然而，科學家們還是無法確切知道分子在反應過程中的掌性如何變化，意思就是目前還無法監測分子在進行化學反應時的立體化學，那麼科學家們將來有辦法做到這點嗎?

近日，中國北京大學的研究團隊成功開發出一種「實時監測單個手性中心形成」的方法，實時監測指的是在極短時間內立即處理數據，在科學研究中，實時監測可以提供關於反應過程的資訊，有助於更好地理解反應的動力學和機制。該研究團隊利用了這項方法監控了bismaleimide和1,3-dicarbonyl compounds的Michael addition，而該反應是在電晶體裝置中進行，他們把反應物放在兩電極之間，接著在通過電流的條件下進行反應。透過反應系統中電場的改變，他們能夠觀察到分子的掌性變化，而掌性變化也會使研究人員觀察到不同的電流變化。

破解C–H鍵活化機制：飛秒內抓住中間體

C–H鍵的活化是有機合成中非常重要的一個反應，可以用來製備複雜的有機分子，而過渡金屬催化劑是促進C–H鍵活化的工具之一，這項工具目前已經被科學家們廣泛研究和應用，例如鈀、銅、銀、鈷等過渡金屬都可以作為活化C–H鍵的催化劑。過渡金屬可以活化C–H鍵的原因是其具有較高的反應活性，可以與C–H鍵形成中間體，並通過一系列的反應步驟來實現C–H鍵的活化，而這些反應步驟包括氧化加成、還原消除、插入等等。儘管過渡金屬催化劑已經被廣泛地研究和應用，但是對於C–H鍵活化的詳細機制仍存在許多未知的問題，例如在C–H鍵活化反應中，過渡金屬如何與C–H鍵反應形成中間體？中間體又是如何進一步轉化為產物? 催化劑的配位基團是如何影響反應速率和選擇性? 這些問題仍需要更多的實驗與理論計算才有辦法解決。

近日，瑞典烏普薩拉大學的研究團隊成功透過時間分辨X射線吸收光譜技術來追蹤過渡金屬在C–H鍵活化期間的電荷轉移反應。時間分辨X射線吸收光譜技術是一種用於研究化學反應動力學和反應中間體的高分辨率光譜技術，其透過超短脈衝X射線束，可以在極短的時間內（通常是飛秒或皮秒級別）捕捉到化學反應的瞬間過程，從而提供關於反應中間體的結構、電子結構及反應動力學等方面的資訊。研究團隊透過此技術紀錄了在X射線束下，CpRh(CO)₂催化劑在正辛烷溶劑 (反應物) 中進行氧化加成反應的詳細過程，他們透過光譜數據找到了催化劑、反應物及溶液環境等因素對金屬-烷基配位、氧化加成等步驟的影響，如此就能更深入了解C–H鍵活化反應的基本原理，未來也能設計出更高效、高選擇性的有機合成方法。

芳香化合物的星際效應：了解恆星演化過程

人類為了追尋宇宙起源、觀察恆星形成及發現新天體，發明了許多太空望遠鏡，例如哈伯太空望遠鏡、史匹哲太空望遠鏡等等。這些太空望遠鏡可以觀測到來自宇宙的可見光、紅外光或紫外光，科學家們蒐集這些不同頻率的光，為的就是將其轉化為光譜數據，光譜數據可以告訴我們物體的組成、溫度、速度等等。而會發射這些光線的通常是恆星、行星、星系及星際介質，星際介質是與恆星、行星相互作用的氣體和塵埃，當這些物質受到能量刺激時，它們會發出不同頻率的光線。多環芳香烴 (PAH, polycyclic aromatic hydrocarbon) 就是其中一種星際介質，也是恆星形成區域中的主要發光源之一，其在紅外光波段有較強的發射特徵，因此若能透過專門觀測紅外光的太空望遠鏡來檢測，就能得知關於恆星的起源及形成的細節。但問題是目前紅外光望遠鏡的靈敏度和波長覆蓋範圍有限，因此無法觀測到較遙遠星系中PAH發射出來的紅外光，那科學家有辦法突破這個困境嗎?

近日，有研究團隊研發出了更強的紅外光太空望遠鏡，它就是詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST, James Webb Space Telescope)，這個望遠鏡有更強的紅外光觀測能力 (更大的鏡面、更靈敏的觀測器、主動冷卻系統等等)。該團隊可以透過它觀測到更遙遠的宇宙中的PAH所發射的紅外光特徵，最遠可以觀測到距離我們超過 120 億光年的PAH。除此之外，他們也發現到這些特徵在星系內有明顯的空間分布差異，意思也就是PAH的分布不均勻，這是人類史上第一次觀察到這種現象，研究人員可以透過這個現象更了解星系中恆星的形成和演化過程。

固態電池商業化的曙光：解決樹枝晶體

鋰電池在現代能源供應系統中無所不在，然而我們所熟悉的鋰電池卻潛藏著重大的危機，例如其電解質具有易燃性，現今的鋰電池都是使用易燃的液態電解質，若電池過熱(60°C以上)就容易發生火災。為了讓鋰電池在使用上更安全，科學家們正在研發全固態鋰電池，也就是使用固態電解質，除了具有更高的安性之外，其也具備了更強的續航力及更長的壽命 (減少電解質的分解和腐蝕)。但科學家們在研發全固態鋰電池的路上碰上了一道難題，那就是鋰電池在充電過程時，鋰離子可能會在電解質表面形成樹枝狀的晶體結構，這會導致電池內部的短路和安全問題，因此這是目前阻礙全固態電池商業化的主要問題之一。為了解決樹枝狀晶體帶來的問題，科學家們就得先研究樹枝狀晶體如何形成，以及該如何避免。

近日，英國牛津大學的研究團隊成功找出了樹枝狀晶體的形成機制，也找出了解決方案，他們發現樹枝狀晶體的形成過程如下: 由於鋰離子在充電過程中被沉積到固態電解質的表面，此時鋰金屬的體積膨脹，其會在表面形成微小的孔隙，接著繼續充電的話，孔隙會逐漸擴大，因為鋰金屬體積愈來愈大，最後就會出現樹枝狀的裂紋，再持續充電的話，鋰金屬就會填滿裂紋，形成樹枝狀晶體。除此之外，研究團隊也找到了阻止樹枝狀晶體形成的方法: (1)通過控制鋰沉積的速率和電流密度，可以減少鋰沉積到表面孔隙中的機會，從而減少樹枝晶體的形成。(2)使用奈米結構，因為奈米結構可以提供更多的表面積，從而減少鋰沉積到表面孔隙中的機會。(3)使用多層電解質，如此就可以有效減緩樹枝晶體的蔓延。

甲基很重要：耐熱的可生物降解PHA

聚羥基鏈烷酸酯Polyhydroxyalkanoates (PHA) 是一種由微生物生產的塑料，也是聚脂類化合物。因為PHA具有良好的生物相容性及生物降解性，其分子結構也和一般石化塑料相似，所以被廣泛應用於醫學、食品包裝等領域，並且可能有辦法解決全球塑料垃圾氾濫的問題。科學家迄今為止已發現了一百多種的PHA，它們的結構和性質各異，可以透過人工合成且大量生產。但是在PHA中，與酯鍵相鄰碳上的兩個氫原子(α氫)特別不穩定，很容易在高溫下被消除 (大約在250°C)，進而生成不希望得到的烯類單體和酯類。所以PHA材料在進行高溫塑型的時候會出問題，這個限制也使其無法應用於更廣泛的商業用途。但PHA這種擁有可被生物降解特性的塑料非常有益於全球環境，若能合成出熱穩定性較高的版本，將是人類社會的一大進步。那科學家是否有辦法在PHA上增添取代基來加強其熱穩定性呢？

近日，美國科羅拉多州立大學的研究團隊成功研發出改良版的PHA，它們稱其為P3H(Me)₂B，也是聚脂類化合物。該聚合物具有較高的熱穩定性 (335°C) 且可回收性高。研究人員說明，他們將原本PHA上的兩個α氫更換為兩個甲基，如此就能避免在高溫塑型時發生消除反應。除此之外，P3H(Me)₂B也有較高的延展性和韌性，甚至優於常見的高密度聚乙烯 (HDPE) 及聚丙烯 (PP)。在回收上，P3H(Me)₂B也非常具有優勢，它可以在鹼性條件下水解，降解成羧酸單體；也可以在鹼性條件下進行斷鍊合環反應 (Chain-unzipping)，降解成四圓環內脂單體。以上兩種被降解後的單體都可以再透過合成重新得到聚合物P3H(Me)₂B。

輕鬆掃除氟原子：全氟烷基化合物的加氫脫氟

從1950年代開始，全氟烷基化合物 (Perfluoroalkyl compounds) 已被廣泛用於各種應用中，例如表面活性劑、防油劑、防水劑和消防劑等等。然而，由於其強大的C(sp³)-F鍵，這些化合物在環境中具有高度的穩定性及極差的生物降解性。因此，全氟烷基化合物被認定是對環境有害的持久性汙染物之一。目前已有研究發現全氟烷基氣體有很高的全球暖化潛能值；也有研究發現部分全氟烷基化合物會積累在生物體內(包含人類)，無法被排出。因此，我們非常需要開發一種能以簡單條件分解全氟烷基化合物的方法。最直接的分解方法就是高溫焚燒，但燃燒過程會釋放揮發性的有機氟廢物，且相當耗費能源。另一種替代方法是以加入催化劑的方式對全氟烷基化合物進行「加氫脫氟反應 (Hydrodefluorination)」，也就是用氫原子取代全氟烷基化合物上的所有氟原子，進而產生碳氫化合物，這麼一來就能以較低的溫度燃燒分解或以生物降解方法對其進行處理。然而，迄今為止報導過的加氫脫氟反應大多都是脫掉C(sp²)-F鍵，那科學家們還有辦法研發出以加氫脫氟的方式脫掉全氟烷基化合物的C(sp³)-F鍵嗎？

近日，日本大阪大學的研究團隊成功開發出一種對全氟烷基芳烴進行加氫脫氟的方法，該團隊使用雙環辛二烯鎳 (Ni(cod)₂) 作為催化劑，並以1,3-dicyclohexyllimidazol-2-ylidene (ICy) 作為配體。他們選用1-pentafluoroethylnaphthalene作為全氟烷基芳烴為起始物，接著搭配催化劑、K₃PO₄及Me₂PhSiH在60°C的條件下進行反應，可以得到高達86%的產率 (產物為1-ethylnaphthalene)。然而以較長鏈的全氟烷基芳烴作為起始物的話，碳氫化合物的產率則較低。

廢物也能變黃金：用廢氣來製藥

Converter gas (以下稱工業煤氣) 是一種大規模的有害廢棄物，也是製造鋼鐵的工業中佔最大比例的副產品。在製造鋼鐵的過程中，鼓風爐裡的焦炭和鐵礦石在高溫下反應生成液態鐵和工業煤氣，該煤氣含有大量的二氧化碳及一氧化碳，因此被視為有害廢棄物。人類目前對工業煤氣的處理方式通常是再進一步燃燒，使其完全變成二氧化碳，這樣的行為促使大氣中的二氧化碳濃度急遽增加，導致全球暖化，這將會大大衝擊全球的氣候模式。為了緩解暖化，減少工業煤氣的排放是必要的，但人類社會對鋼鐵的需求是非常巨大的，沒辦法說減少就減少。如此一來，就只剩下努力清除大氣中的工業煤氣這條路。那麼在清除之餘，科學家有辦法廢物再利用嗎?也就是將工業煤氣利用在化學反應上，對人類社會造成正向影響。

近日，德國萊布尼茨催化研究所找到了工業煤氣的利用價值，他們將煤氣用作有機反應中的還原劑，以生產有價值的藥品。研究團隊發現，只需要透過工業煤氣和釕催化劑[(cymene)RuCl₂]₂，就可以將硝基芳烴與羧酸進行耦合，生成醯胺類化合物。該團隊成功合成出了七種醯胺，產率皆超過64%，其中包含了乙醯胺酚 (用於止痛退燒) 及伏立諾他 (用於治療淋巴瘤)。除此之外，研究團隊發現了工業煤氣也可以搭配銠催化劑進行羰基化合物與胺類的還原胺化反應，形成碳氮單鍵的胺類。該團隊成功合成出了八種胺基化合物，產率皆超過62%。

0.11秒熱度：脈衝加熱降解塑膠

每年都有800萬至1300萬噸的塑料垃圾被倒進海洋中，此舉不但會威脅到海洋中的生物，也會嚴重損害生物多樣性；更有研究發現，空氣及飲用水中含有微塑料，這也會威脅到地球上的所有生物和生態環境。為了降低塑料對環境造成的汙染，常見的方法是焚燒及掩埋，但這兩種方法都不是最佳清除塑料方法，因為前者不僅耗費能源，還會造成空氣汙染；後者則可能會對環境造成長期破壞。除了上述兩種方法外，許多熱塑性材料可以透過機械加工的方式回收成有用處的材料，但這些材料的經濟價值有限，所以機械加工也不是最好的方式。然而，以熱化學降解塑料可能是較有前途的方法，因為此法能搭配催化劑將塑料有選擇性地分解成特定單體，這些單體可以再拿來進行聚合反應或進行其他化學反應，因此有較高的經濟價值。但催化劑在降解塑料的過程容易被分解，導致更多的副反應發生，進而得到較低產率的目標單體。那還有沒有其他更好的方式來降解塑料，且同時能降低副反應發生的機率呢？

近日，美國普林斯頓大學和馬里蘭大學帕克分校共同研發出以脈衝加熱的方式降解塑料，這項技術的優點是不需要催化劑，且能有效減少副反應發生，提高目標單體的產率。脈衝式加熱是一種瞬間加熱特定範圍的方法，該方法需要使用高功率、高頻率的脈衝電源，其特點是週期性地在極短時間內將樣品加熱到高溫，接著再冷卻，這麼一來就可以有效阻止降解反應達到熱力學平衡，並提高目標單體的產率。該研究團隊目前能以這項技術降解聚丙烯並生成丙烯 (0.11秒內加熱至600 °C；0.99秒冷卻)，產率為36%。若以一般熱化學的方式降解聚丙烯，在沒有催化劑的情況下，丙烯產率為10%；有催化劑的情況下，則產率最多不會超過25%。

可降解高分子：既穩定又脆弱

合成聚合物(塑料)因為其重量輕、成本低、堅固又耐用，所以成為現代社會中最重要也最被廣泛使用的材料之一。然而這些聚合物的優點同時也是缺點，因為聚合物的碳-碳鍵非常穩定，很難被破壞、降解，所以這些無法被回收的聚合物已對環境造成了汙染。雖然人類還是能以高溫燃燒的方式，將這些塑料熔掉(200至250°C)，但以此方法來處理廢棄塑膠其實是非常浪費能源的一件事，且燃燒後的產物無法再利用，因此科學家們一直在尋找替代塑料，一種不需要在高溫下就能被分解的塑料。最著名的可在低溫下降解的塑料為聚苯甲醛，在零下40°C就能被降解，這種材料可被應用為光阻劑及電子元件，但其聚合物的合成及使用條件較苛刻(必須在低溫、無氧、無水環境)，而且合成過程經常發生產量低或分子量低的問題，因此還是無法取代現代工業製造的塑料。那科學家還有辦法研究出能輕易被降解且實用性高的塑料嗎？

近日，美國阿克倫大學的研究團隊成功設計出一種特殊的聚合物，該聚合物既具有傳統聚合物的穩定性，也具有轉變成易被降解型態的特性。該聚合物是一種不飽和聚醚，每個重複單元中含有和環丁烷融和在一起的四氫呋喃(是種具有高環張力的單元分子)，這樣的聚合物具有高度穩定性，其性質接近於高密度聚乙烯。而該聚合物在機械力(超聲波或球磨)的作用下，可將高環張力的單元分子開環，形成三個更簡單的重複單元poly(2,5-dihydrofuran) (PDHF)，而這個新聚合物可以被Grubbs的釕催化劑進行降解，降解成2,5-dihydrofuran。該研究小組目前正在研究以更大規模及更低成本來生產和回收該聚合物。

翻不過去：第一個掌性氧陽離子

在自然界中，天然產物多以「碳」原子作為掌性中心；即使在不對稱合成領域，目標產物也幾乎是以碳立體中心為主。碳立體中心相較於其他原子的立體中心較穩定，所以碳原子的掌性已經被研究的非常徹底。而同週期的氮原子的掌性則比較難被觀察到，因三級胺的孤對電子會進行反轉(反轉能量約為20-25 kJ/mol)，且反轉速率相當快，足以使分子消旋，所以即使氮原子周遭的基團不重複，氮仍無法被稱為掌性中心。但也已有科學家合成出具有雙環結構的三級胺分子，目的是加大其反轉能量，使其無法輕易反轉，進而觀察到氮原子的掌性。然而，一樣是處在同一週期、具三配位的氧陽離子(Oxonium)，卻完全沒有與掌性相關的文獻，不過倒是有科學家計算出三配位氧陽離子(環氧化物的衍生物)的反轉能量約為42 kJ/mol，這表示氧陽離子也非常容易發生反轉，無法觀察到其掌性。再者，氧陽離子具有高度的反應性、壽命極短，那麼科學家有辦法合成出無法發生反轉且穩定的氧陽離子嗎？

近日，美國科羅拉多州立大學的研究小組成功合成出穩定性高且不會發生反轉的氧陽離子，這也是第一個具有掌性的氧陽離子。研究人員為了合成出目標產物，他們計算出「具有五環及七環的螺旋狀氧陽離子」有辦法穩定存在，且不會發生反轉。研究小組順利合成出該分子後，發現其在室溫下穩定且可被分離，接著他們利用核磁共振光譜、液相層析光譜及X光繞射分析成功鑑定出氧陽離子的分子結構。研究人員說明，該氧陽離子的反轉所需能量大於110 kJ/mol，這樣的能量障礙已足以讓氧陽離子不易發生反轉，所以該氧原子有辦法具有掌性。該研究小組目前正在探索掌性氧陽離子的應用性。

柳樹的新用法：土壤淨化完還可以去除塑膠垃圾

現代社會越來越依賴塑膠材料，這可以從數據中明顯觀察到。2002年，全世界生產了200公噸的塑膠；2018年，塑膠產量翻倍(395公噸)，到了2050年，預計再增加3倍(1200公噸)。而在這些塑料中，其中有36%是聚乙烯(Polyethylene, PE)，且數字有逐年增加的趨勢；又因武漢肺炎的影響，各國生產大量的一次性個人防護裝備和食品包裝，促使了PE在這段期間激增。PE會被廣泛作為生活中的塑料是因為其具有相當高的物理及化學穩定性，但就是因為它能抵抗高溫、高壓及化學腐蝕，所以PE非常難以分解並回收，只能透過焚燒的方式將其裂解。而觸發PE熱裂解的溫度需要達400°C以上，且燃燒後的產物幾乎沒有任何價值，所以「焚燒」被視為相當浪費能源的方法。為了使能源在使用上更有效率，有科學家研究出以加氫裂解的方式，將燃燒完PE的產物變為有經濟價值的碳氫化合物。然而，氫氣也是人類社會的重要能源，那有不需要加入氫氣就能裂解PE，且能得到高價值碳氫化合物的方法嗎？

近年來，因為工廠隨意傾倒工業廢液，造成土地有重金屬汙染的問題。為了淨化受汙染的土壤，科學家選擇了在土壤上種植柳樹，使其吸收土壤中的重金屬，達到土地淨化的效果。

近日，英國約克大學的綠色化學及植物生物學的研究人員攜手研究出一種「生物鎳催化劑」，這種催化劑可以在250°C的條件下將PE在70秒內分解成氫氣和高價值碳氫化合物(可作為燃料，fuel-suitable hydrocarbons)。而且該催化劑不需透過人工合成，而是透過「植物」合成，所以該催化劑具有在空氣中穩定的特性，且價格相當低廉平價。研究人員在富含鎳的土壤(受重金屬汙染)中種植柳樹，而土壤中的鎳會被以奈米顆粒的形式被柳樹吸收，而研究人員會將這些柳樹處理為生物質(Biomass)，再以微波裂解生物質的方式，將其中的生物鎳催化劑釋放出來並參與裂解PE的催化反應。

四喹啉：卟啉家族的新成員

卟啉(Porphyrin)又稱紫質，是由四個吡咯(Pyrrole)聚合而成的含氮雜環，含有四個向內的氮原子，其可以與金屬元素配位，形成金屬錯合物。卟啉是自然界中相當重要的環狀分子之一，這樣的金屬錯合物可以協助生物體進行信號傳送或物質運輸，例如植物中的葉綠素及人體中的血紅素。因此，科學家們開始對卟啉結構進行修飾，設計出各式各樣的含氮雜環，例如以四個吲哚(Indole)或四個吡啶(Pyridine)組合而成的分子環，其目的是探索這類分子的功能及應用，科學家們也稱這類分子為「N4大環家族」。但是長久以來，就是沒有科學家合成出以喹啉(Quinoline)為主的環狀分子。直到2019年，以三個喹啉聚合而成的環狀分子才被合成出來，其被稱作為TriQuinoline(TQ)，其具有強質子親和力，也能夠與DNA進行反應。科學家說明，TQs能有這樣的反應性可能是因為喹啉單元使整個結構的剛性增加。但這只是N3的環狀分子，有沒有可能合成出以喹啉為單元的N4環狀分子呢？

近日，日本東京的微生物研究所的研究團隊成功合成出以喹啉為單元的N4環狀分子(TEtraQuinoline, TEQ)，並研究其應用性。TEQ的結構性質與其他類型的N4環狀分子不同，TEQ的結構為馬鞍狀的三維結構，其中的四個氮原子並不在同個平面上，而其他類型的N4環狀分子的四個氮是落在同一平面上的。儘管結構扭曲，TEQ還是能夠與鈉、鉀、鎂、鈣陽離子及一系列的過度金屬陽離子進行配位（Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺和Pd²⁺）。在應用上，研究人員發現TEQ在質子化或與鋅離子結合時會放出強烈的天藍色螢光，這項發現可應用於有選擇性的鋅探針及精確的pH計。除此之外，TEQ與鐵離子配位的錯合物可作為脫氫反應(Dehydrogenation)及加氧反應(Oxygenation)的催化劑，其催化量可低至0.1 mol%。

烯烴的氫氯化反應：氫不加在氫多的碳上

α-烯烴的化學式為C_nH_2n，其雙鍵位於第一個碳和第二個碳之間。在合成化學上及工業上經常對其進行加成反應(Addition reaction)，例如氫氯化反應(Hydro chlorination)，而氯陰離子會按照Markovnikov定則接在第二個碳上，獲得具有支鍊的產物。然而若想得到直鍊產物(氯陰離子接在第一個碳上)，反應就必須遵守anti-Markovnikov定則。目前所報導過的文獻指出，若要獲得anti-Markovnikov氫氯化產物通常得經過氧化及還原的兩步驟反應，然而該策略的產率通常不如預期，因為在中間步驟會生成許多副產物。除了透過氧化還原之外，科學家們也成功研究出了以生成自由基中間體的方式對苯乙烯進行氫氯化反應且得到anti-Markovnikov產物(也是兩步驟反應)，但這只限於苯乙烯(已被活化的烯類)；然而不具有活化基團的α-烯烴卻無法透過上述的方式進行anti-Markovnikov氫氯化反應。那還有沒有其他方法呢？

近日，德國馬克斯·普朗克研究所的研究小組成功研發出也是以生成自由基的方式對α-烯烴進行氫氯化反應，但不同的是，它只需要一步反應，且相較於報導過的文獻，該反應具有較高的原子經濟性。研究人員說明，他們將起始物(α-烯烴)、鹽酸、光催化劑(Acridine衍生物)及硫化物在氟苯溶劑中混合攪拌，再搭配藍光LED照射，反應24小時後就能得到anti-Markovnikov產物，其中產率最高可達93%。除了氫氯化反應之外，該研究小組也研發出了氫氧化反應，只需要把上述條件的鹽酸改為硝酸，就一樣能得到anti-Markovnikov產物，其產率最高可達91%。

正丁基鋰凝膠：反應不用除水、除氧喔！

在有機合成化學中，許多反應需要用到反應性極強的試劑，例如有機鋰試劑，其常應用於親核加成反應、鋰-溴交換反應。雖然有機鋰試劑在化學的應用上非常廣泛，但實際操作上稍嫌麻煩，因為這類試劑只要接觸到水氣就會劇烈放熱，很容易釀成火災。所以必須要在低溫、惰性環境及無水溶劑的條件下才能安全地進行反應並獲得目標產物。除此之外，有機鋰試劑在儲存上也存在著問題，只要是開封過的有機鋰藥罐，就無法長期存放，因其容易與空氣中的水分接觸而分解。這些問題讓工業上及學術上使用有機鋰的人們察覺到安全隱患及額外的成本，因此已有科學家們正在研究如何以更安全、更簡單的方式來使用或存放高反應性試劑。目前已有文獻報導過將正丁基鋰溶入「深層共融溶劑(Deep eutectic solvent, DES)」中(DES可視為一種承載正丁基鋰的媒介)，該混和液體能夠在室溫及大氣下與酮類進行親核反應，反應時間只需要3秒就能完成且產率可高達90%。但DES在大氣下並無法保護正丁基鋰太久，所以無法長久存放，那還有既能在大氣下使用正丁基鋰又能長期儲存正丁基鋰的辦法嗎？

近日，瑞士伯爾尼大學的研究小組成功研發出以凝膠保護正丁基鋰的方式，能在大氣下使用正丁基鋰且在短時間內完成親核反應，該正丁基鋰凝膠還能存放在大氣下長達25天，甚至在泡水後還具有反應性。研究小組選用C₃₆H₇₄的長碳鍊烷烴作為保護正丁基鋰的凝膠:研究人員先將晶體狀的C₃₆H₇₄裝入小瓶中，然後在惰性環境下注入正丁基鋰溶液到小瓶裡，接著再將整個小瓶加熱直到C₃₆H₇₄熔化，最後再以泡冰水的方式降溫小瓶直至膠體形成。此時正丁基鋰分子已完全被膠體包覆其中，形成正丁基鋰凝膠，其可以在大氣下進行親核反應。研究人員將正丁基鋰凝膠與2-甲氧基苯乙酮在大氣下及常溫下進行親核反應，5分鐘後滴水終止反應，可以得到相對應的醇類且有83%的轉換率。該研究小組除了成功做出正丁基鋰凝膠之外，也以同樣的方法做出苯基鋰凝膠。

垃圾變黃金：聚烯烴的升級再造

塑膠產品在生活中無所不在，從包裝、紡織品到醫療設備、車輛零件都看的到塑膠的蹤跡。全世界每年的塑膠產量超過3.6億噸，而大部分的廢棄塑膠製品只能堆在垃圾掩埋場，甚至有些直接被丟棄在海洋中。在這些塑膠的成分中，聚烯烴(聚乙烯、聚丙烯)就佔了五成以上。而且最可怕的是，聚烯烴無法自然分解，其C-C鍵很穩定，非常難斷裂，需要吸收大量能量才有辦法將其斷鍵，所以最直觀的方法就是以高溫燃燒的方式將其熔掉(200至250°C)。然而以燃燒的方式來處理廢棄塑膠其實是很浪費能源的一件事，所以科學家們一直在尋找替代方案。為了使分解聚烯烴所需要的能量下降，科學家們將該吸熱反應與其他放熱反應(例如氫解及芳香化)綁在一起，以達到「熱量中和」的效果，如此一來既能降低耗費的能量，又能使聚烯烴變為其他更有經濟價值的碳氫化合物。但是，目前已報導過的文獻指出，就算有辦法降低耗費的能量，所需溫度還是要100°C以上，那還有其他辦法壓低反應溫度嗎？

近日，德國慕尼黑工業大學與美國太平洋西北國家實驗室組成的研究小組成功研發出以70°C的溫度將廢棄塑膠中的聚烯烴轉化為高價值的液體異構烷烴(C6-C12)。該研究小組是將斷裂聚烯烴C-C鍵的吸熱反應與烷基化反應(放熱反應)結合在一起(烷基化試劑為異戊烷)，達到熱量中和的效果。整個反應中最大的功臣為氯鋁酸鹽離子液體，它被用來當作烷基化的催化劑，因為其具有很高的極性，所以可以穩定烷基化的中間體(碳陽離子)，降低整個反應的活化能。在實際應用上，研究小組將FFP2口罩(含聚丙烯)作為反應物進行塑膠裂解-烷基化反應，得到異構烷烴(C6-C12)且轉換率高達95%。

合成駭客：直接為分子加一顆碳

有機合成的主要目標之一就是創造出對人類社會有價值的複雜分子，例如藥物或新材料。自17世紀以來，有機化學家們已開發出多種有機合成反應，這些反應也幫助了人類社會建立繁榮與穩定。但有機化學家們並不滿足於此，因為目前的藥物合成通常需要透過冗長的步驟才能合成出來，這個過程不但耗費了許多時間也消耗了大量人力。因此，有機化學家們至今仍然在研究新反應，並希望新反應能夠大幅縮短合成路徑，如此就能夠以更輕鬆、更簡單的方式去合成藥物。在藥物合成中，有機化學家們試圖尋找有沒有對分子直接「增加一個碳」的方法，若科學家擁有了以輕鬆的方式為分子多加一顆碳的能力，那將可以大幅縮短合成路徑且能夠創造出更複雜的化合物。多加一顆碳最直觀的方法就是使用「單原子碳源」，「單原子碳源」能使一個碳中心在一個步驟中形成四個鍵。事實上已有些文獻報導過「生成單原子碳」的方法，不過都是以物理方法產生的，例如電弧放電、交叉分子束碰撞及激光光解，但以上方法都需要特殊儀器且裸露原子碳的壽命極短，這些都限制了實際的應用，所以科學家們正試圖找出在溶液相中生成單原子碳並為分子多加一顆碳的方法。

近日，日本大阪大學的研究小組成功開發出直接為分子多加一顆碳的方法。他們以N-Heterocyclic Carbene (NHC) 作為穩定的單原子碳源並與α , β-不飽和醯胺反應，而NHC上的碳原子會轉移到醯胺分子上形成 γ -内醯胺並脫出一當量的1,2-二亞胺(源自NHC)。反應機制是: α , β-不飽和醯胺的雙鍵對氮上的苯環進行S_NAr反應，氮上的電子再攻擊NHC上的碳成環形成具有螺旋結構的中間體，接著再發生H Shift剔除分子中的二亞胺形成 γ -内醯胺。研究小組說明，這個單碳原子的轉移反應具有選擇性，他們一共以17種起始物做單原子碳轉移實驗並發現其產率最高可達83%。

富勒烯與石墨烯聯手合作：新型態碳同素異形體

碳元素有多種同素異形體，其中包含鑽石、石墨烯、富勒烯及奈米碳管等等。其中富勒烯(Fullerene, C₆₀)是第一種以人工方式合成的碳同素異形體，屬於由sp²混成的碳原子組成的多環聚合物，其分子形狀為封閉的中空球體。富勒烯的特性是高延展性，其延展性比鋼強100倍；高導電性，其導電性比銅強，重量卻只有銅的六分之一。剛提到富勒烯是封閉的中空球體，代表它的分子結構是有限的、有盡頭的；與之相反的則是石墨烯(Graphene)，它一樣由sp²混成的碳原子組成，但其結構為無限的層狀二維結構。若有一種分子同時具有富勒烯的球體結構和石墨烯的無限二維結構，那它的性質會變得如何呢?

這樣天馬行空的結構確實在近日已被合成出來，該項研究是由美國的哥倫比亞大學及佛羅里達大學共同組成的研究小組所開發。平面上的每個C₆₀都與相鄰的6個C₆₀形成8個σ鍵，他們稱這種二維層狀的C_60∞為Graphullerene，也是新型態碳同素異形體。Graphullerene的合成方法如下:在惰性氣體環境中將C₆₀及鎂粉以莫耳比1:6的方式混和在一起，接著研磨成均勻的固體混和物，再壓製成片狀放入石英管中並封管。然後再將石英管置於溫度梯度為500℃至600℃的爐中烤24小時，再降至室溫形成鎂摻雜的多富勒烯晶體Mg₄C_60∞(polyfulleride crystal)。最後再以醋酸洗滌摻鎂多富勒烯，目的是將鎂從中移除，得到中性的多富勒烯Graphullerene。

關於Graphullerene的性質，研究小組目前發現該物質具有非常強的導熱性，甚至比C₆₀還要強，佛羅里達大學化學助理教授、論文共同作者Austin Evans說明:「由於這種材料已被證明具有很強的導熱性，它可能在電路的熱管理或在航空的保護塗層上會很有用處。」

有機電活性材料的超新星：反芳香烴聚合物

有機電活性材料(organic electroactive materials)常應用於電池中，這些材料通常具有[4n+2]個共軛π電子，也就是芳香族化合物，這樣的材料非常穩定且有利於傳遞電子。電活性材料大多為環狀的芳香烴聚合物，因為離散的、非晶體的芳香族化合物單元並無法充當有機材料，所以才要將多個芳香族化合物單元透過環化聚集起來形成有序的、多孔結晶材料的芳香烴聚合物，也就是共價有機框架(COFs, Covalent organic frameworks)。有機電活性材料目前都是使用具有芳香性的聚合物，其氧化還原系統大多已被科學家探索過；然而反芳香性聚合物的氧化還原系統對科學家來說是全新的領域。到目前為止，文獻並未記載任何由反芳香性聚合物作為COFs的例子，因為[4n]個共軛π電子系統較不穩定，不管在合成上或應用上較具有難度。不過已有研究顯示反芳香烴系統比芳香烴系統擁有較容易氧化還原的特性，也有著間距較小的能隙(band gap)，這促使科學家開始研究以反芳香烴聚合物作為有機電活性材料。

近日，德國的烏爾姆大學與洪堡大學共同研發出具有反芳香性的有機電活性材料。該研究小組合成了一系列以DBP(Dibenzopentaiene)為單元並以亞胺(imine)連接起來的COF，DBP的結構是反芳香性的，但其結構上又有苯環去穩定整個分子，所以該化合物不至於那麼不穩定，甚至可以說是取得了穩定性與反芳香性之間的微妙平衡。研究小組表示，這是第一個以反芳香烴建構的COF例子。在應用上，研究小組發現了該材料作為正極使用時，氧化發生在約3.9V vs. Li/Li⁺的高電位，且在可見光照射下會發生光電導效應。

陰離子立大功：非對稱光催化反應

光催化是化學中的新興領域，科學家利用光催化設計出不同於傳統化學合成的新反應。在光催化的反應過程中，光被光催化劑吸收，然後發生單電子轉移(SET, Single Electron Transfer)，生成反應性極強的自由基離子。例如在氧化模式下，SET過程使起始物轉化為自由基陽離子；在還原模式下則是將起始物轉化為自由基陰離子。這兩種途徑也成功激發科學家設計出多種且有用的化學合成反應，近幾十年來又因為不對稱合成的興起，因此不對稱光催化反應目前受到了相當大的矚目，科學家們正在努力找出一個能應用在化學合成上的不對稱光催化劑。然而，由於目前已研發出來的不對稱光催化劑在應用上都得經過兩個催化循環(dual catalysis)來達成不對稱合成:首先經過光致氧化還原催化循環，再經過非對稱催化循環，而這樣的結果也限制了催化反應的種類。科學家為了擴展反應種類，正努力地把上述提到的兩個催化循環濃縮成一個催化循環。目前找到的解決辦法有二，第一個是使用人工合成酶，它有指定的活性位點，可以用來捕捉高活性的中間產物，直接對其進行立體選擇性的轉化。第二個策略是利用帶電的光催化劑，也是該篇文章的主題，帶電光催化劑包含了掌性陰離子與非掌性陽離子，因為起始物在不對稱催化過程會轉變為自由基陽離子，它傾向捐獻質子然後分解，所以科學家必須設計出合適的掌性陰離子去阻止自由基陽離子的分解，藉此達成不對稱催化循環。

近日，德國的馬克思·普朗克研究所的研究小組研發出了合適的不對稱帶電光催化劑，此催化劑的陰離子是掌性的，而陽離子則具有光敏性質。從實驗中，他們試驗了一系列的陰離子，最後發現使用掌性的二磷醯亞胺陰離子(imidodiphosphorimidate anion)的效果最好。研究小組目前利用該催化劑、光源選用6W的藍光、在-100℃的條件下成功地將苯乙烯與丙烯進行不對稱的[2+2]還化反應，其產率與立體選擇性皆有90%以上。除此之外，使用含有各種不同取代基的苯乙烯與丙烯的實驗結果也相當出色。

消滅溫室氣體：新型製冷方式

在過去的一個世紀到現在，我們通常以蒸汽壓縮(Vapor compression)的方式去製冷，例如冷凍機、空調，而這樣的製冷方式必須使用氟氯碳化物(CFCs, Chlorofluorocarbons)當作製冷劑。不過CFCs這種化學物質很容易擴散到大氣層最上方(平流層)，然後被紫外線分解成自由基，進而破壞臭氧層，因此CFCs又被稱為臭氧層殺手。1987年，各國意識到了大量使用CFCs後的嚴重性，所以簽訂了《蒙特婁議定書》，禁止使用CFCs。但人類在製冷上還是有需求，於是改使用氫氟碳化物(HFCs, Hydrofluorocarbons)作為製冷劑，但大量使用HFCs會造成全球暖化(HFCs的全球暖化潛勢值是二氧化碳的兩千倍以上)。為了克服上述挑戰，科學家開始研發以固態材料作為製冷劑，這些材料必須在有非常強的磁場或非常強的電場控制下才有辦法製冷，且製冷效率相當差。那還有其他更環保、更有效率的製冷方式嗎？

近日，美國加州大學柏克利分校和勞倫斯柏克利國家實驗室共同研發出了「離子製冷」技術，該技術的製冷效率優於其他製冷系統。在這套製冷方式中，他們並沒有從外部施加任何一種強場，而只是單純地利用碘化鈉和溶劑碳稀酸乙烯酯混和的電滲析電池來達成製冷效果。它的製冷步驟是這樣的:(i)把碘化鈉加進部分凍結的溶劑中，使溶劑固體熔點下降，造成溶劑固體融化，而在融化的過程中會吸熱。(ii)再透過電滲析，將鹽與溶劑分離，這促成溶劑熔點上升，接著再將溶劑冷凍成固體，而在結凍的過程中會放熱，然後再重複(i)步驟，達成類似於卡諾熱機的循環。

研究人員表示，在他們的實驗結果中，最多可以降溫28°C，且效率為29%，明顯優於磁場製冷系統及電場製冷系統。

掌控乙烯基碳陽離子:不對稱C-H鍵插入反應

碳陽離子是不具對稱性的反應中間體，在天然物或藥品的合成途徑中常能見到碳陽離子的身影，但是在不對稱合成上，透過掌性催化劑使碳陽離子形成掌性化合物仍然具有相當高的挑戰性，目前只發現有共振特性的三配位碳陽離子才有辦法達成這個目標，這可能是因為二配位碳陽離子的反應性太強所導致。

最近有報導指出，二配位碳陽離子很容易插入未活化的sp³ C-H鍵中，於是加州理工學院、猶他大學及加州大學洛杉磯分校聯合成立了一個研究團隊，專門研究如何透過掌性催化劑將二配位碳陽離子與sp³ C-H鍵反應形成中性掌性化合物。若這項研究成功的話，對合成化學家來說是一大進步。

近日，該研究團隊成功將二配位碳陽離子轉化為中性掌性化合物。研究過程中，他們試驗了幾十種催化劑，最後發現一種名為二磷醯亞胺的掌性催化劑(IDPi)能為該不對稱反應帶來高產率及高立體選擇性，且已有至少20個例子。該催化劑的特點在於它能夠使起始物生成高活性的二配位碳陽離子並限制住它的位向，使其進行分子內的sp³ C-H鍵插入反應。研究團隊認為這項研究仍有非常大的進步空間，他們希望能從分子內的C-H鍵插入反應進化到分子間的C-H鍵插入反應。

除了貓薄荷，這些東西也能讓你家貓咪嗨爆

家中的貓咪只要一聞到貓薄荷，就會進入飄飄欲仙狀態，這是因為貓薄荷含有「荊芥內酯（Nepetalactone）」，這種化學物質可以刺激貓咪鼻子裡的費洛蒙受器，進而短暫麻痺大腦，接者產生打滾、流口水、興奮等反應，更棒的是，服用貓薄荷並不會使貓咪出現任何戒斷症狀或不良反應。除了貓咪之外，豹、美洲獅及猞猁都對荊芥內酯有「正面」反應。

美國的一個研究團隊目前正在測試貓咪對不同植物或不同化學物質的反應，他們對六隻貓做了為期兩年的研究，研究中發現，這些貓也會對與荊芥內酯結構相似的「鳶尾花素(Iridomyrmecin)」有反應，會進入「嗨」的狀態。不過最令研究團隊驚訝的是，這些貓咪也很喜歡「二氫獼猴桃內酯(Dihydroactinidiolide)」，但其化學結構與荊芥內酯幾乎沒有相似之處。二氫獼猴桃內酯存在於植物—銀藤(忍冬)中，而這種化學物質也能在狐狸的尿液或氣味腺中找到，這是第一次發現可以由哺乳類動物所產生的化合物來引發「貓薄荷反應」的例子。研究團隊也拿了薄荷醇和水楊酸甲酯(兩者皆為薄荷中的化學物質)對貓咪做測試，但毫無反應；他們也拿了「靈貓酮(civetone)」(可以吸引大型貓科動物)做測試，也一樣沒有反應。是否會發生「貓薄荷反應」，是由貓咪的基因來決定的，因此並不是每一隻貓咪都對貓薄荷有反應，大約有三分之一的貓對貓薄荷免疫，然而這些貓咪卻可能會對銀藤有反應。

最後研究團隊表示，目前仍不清楚二氫獼猴桃內酯如何在貓咪身上發生「貓薄荷反應」，他們只是觀察到了這樣的現象，但反應機制仍有待研究。

綠色化學：完全回收尼龍-6

現代社會越來越依賴塑膠材料，這可以從統計數據中明顯觀察到。在2002年，全世界生產了200公噸的塑膠，到了2018年，塑膠產量已經翻倍(395公噸)，預計在2050年時，整體產量將會來到1200公噸。在這些塑料中，尼龍-6因其高拉伸強度、高化學耐受性、及耐磨性，所以是許多應用的首選材料，例如：汽車、包裝、基礎設施、紡織及漁具行業。然而，這些特性也使尼龍-6無法照常規方法回收，也無法被生物降解。那能不能以燃燒尼龍-6的方式來產生能源呢？答案是不可行，因為尼龍-6在燃燒的過程中會產生有毒化合物，例如HCN、CO。

在工業上，尼龍-6是透過己內醯胺(Caprolactam, CPL)的開環聚合製成的，而己內醯胺是由化石原料透過昂貴且多個步驟的過程製作出來的。因此尼龍-6可以被降解回收的話，就能節省生產成本及資源。

近日，美國西北大學的研究團隊成功研發出一種以鑭金屬與三胺基錯合的催化劑，該催化劑能夠在無溶劑的條件下將尼龍-6降解為己內醯胺，且該催化反應的選擇性超過95%、產率超過90%，降解過程也沒有劇毒化學物質被生成。該研究團隊其實以鑭系金屬合成出多種催化劑，例如鑭、釹、釤、釓、鎦等等，但經過測試後發現鑭催化劑表現出最佳催化活性。經過實驗數據和計算結果表明，該催化反應機制的第一步是質子從聚合物(尼龍-6)末端的醯胺N-H鍵中被移除，接著催化劑與聚合物結合，隨後醯胺基再攻擊首端的碳進行環化，形成己內醯胺，並從聚合物中脫離出來。

薄膜立大功：電解海水不再是夢

從發明電解水的實驗至今已有200多年歷史，我們都能理解: 在陰極，H⁺離子獲得電子，產生氫氣；在陽極，OH^–離子失去電子，產生氧氣。電解水實驗看似輕鬆、方便，但此實驗對於「水」的品質是很有要求的，若水中含有雜質或鹽類，將會破壞整個系統，例如膜孔遭堵塞、昂貴的電極被腐蝕及產生對人體有害的副產物。上述原因就是為什麼我們仍無法用地球上含量最豐富的資源—「海水」，來進行電解水實驗。

海水中含有Cl^–離子，它會在陽極與OH^–離子競爭，產生對人體有害的氯氣，這種氣體具有腐蝕性，會腐蝕電極使整個電池系統失靈。科學家為此想了個對策，就是在電解海水前先對海水進行淡化，但這並不符合經濟效益，因為淡化海水所需能源的成本遠遠超過了電解產生氫氣的價值。

在中國有個研究小組已經成功開發出一種可以直接利用海水產生氫氣的海水淡化-電解組合系統，此系統的特點是它以低能耗的方式來淨化海水再進行電解。研究小組說明，他們使用一種PTFE薄膜將海水與電解電池分離，膜上的高密度氟原子可以有效阻隔水和其他雜質通過，只有水蒸氣能夠滲透進電解電池中，在電解電池那一側則填滿了高濃度氫氧化鉀水溶液，由於氫氧化鉀的濃度高於海水中鹽類的濃度，所以提供了海水中的水變為水蒸氣而滲透進薄膜的驅動力，研究小組又稱之為液-氣-液相變系統。當系統達平衡、蒐集夠多乾淨的水後便開始電解水，此時水溶液中氫氧化鉀的濃度又高過海水鹽類濃度，海水中的水蒸氣又滲透進薄膜中，以此形成一個動態平衡的系統。

該研究小組為了測試其實用性，他們將此系統安裝在深圳灣進行了133天的實驗，此電解電池產生了超過一百萬公升的氫氣，且電極並沒有發生任何的腐蝕。

為什麼不是等當量？被困住的正丁基鋰

1939年，Georg Wittig和Henry Gilman發現了芳香環的金屬化反應(metalation)，之後再讓去質子化後的芳基鋰與其他親電化合物 (electrophiles)結合，就可以在芳香環加上想要的官能基。在金屬化反應的過程中，芳香環上的取代基可以引導正丁基鋰 (n-Butyllithium) 對ortho位進行去質子化 (deprotonation)，常見的取代基為甲氧基 (methoxy)、醯胺 (amide)。

但是問題來了！理論上，我們只需要一當量的鹼來去除一當量的氫，為什麼以正丁基鋰對芳香環進行去質子化時，需要不只一當量的正丁基鋰試劑呢?有時需要兩當量或甚至五當量的正丁基鋰才能成功去質子化，這是相當沒有原子經濟效率 (atom economy) 的事情。雖然有機鋰化合物常會以聚合形式存在在溶液中，但在這反應中到底是什麼在消耗正丁基鋰仍一直是個謎團。

來自法國的Oulyadi研究小組選擇了S-trifluoromethyl phenylsulfoximine作為研究此謎團的工具，因為此分子上有特別多適合核磁共振研究的原子，可以為實驗提供更多線索。研究團隊在此分子的鋰化反應中，發現了幾種「會吃鹼」的聚合物，在加入第一個當量的正丁基鋰後，就如預期的一樣，先使NH基去質子化，但隨著加入更多的正丁基鋰，複雜的事情就發生了。透過核磁共振實驗、同位素標記及密度泛函理論計算 (density functional theory calculation)，他們發現了三種聚合物，它們以方形或立方體的排列方式與正丁基鋰形成穩定錯合物，其中一種聚合物甚至包含了三個正丁基鋰分子，被困在這些聚合物中的正丁基鋰是完全沒有活性的，因此還需要再加入更多當量的正丁基鋰才有辦法將芳香環上的氫去質子化。

研究人員也從這些實驗中發現，因為sulfoximine與正丁基鋰形成了聚合物，加大了硫原子的立體位障，所以即使在有過量正丁基鋰的情況下，硫原子也不會受攻擊，所以sulfoximine官能基不會在過程中被破壞掉。既然目前已經知道反應中會生成哪些聚合物，研究小組表示接下來就是以破壞這些聚合物為目標，減少正丁基鋰的用量。

回收PVC：電出塑膠中的氯

PVC (聚氯乙烯) 是一種用途極為廣泛的塑料，高氯含量使它耐用又防火，業者可增添一種名為DEHP (di(2-ethylhexyl)phthalate) 的塑化劑來軟化PVC，使之較容易塑形。在日常生活中我們處處可看到PVC的身影，例如：塑膠玩具、便當盒、雨衣及清潔劑的瓶子。雖然我們很常接觸PVC，認為PVC安全無害，但其實它是科學家一致認為最危險的塑料，因為PVC遇熱的話有可能會釋放出鹽酸或其他有害氣體。

為了替PVC找出安全又可再利用的回收方式，來自密西根大學的McNeil教授開發出以電解的方式從PVC中釋放出氯，並以這些氯來氯化芳香族化合物。實驗原理如下，研究小組先利用電解電池還原DEHP，被還原後的DEHP再將一個電子轉移到PVC上使氯與聚合物骨架發生斷裂 (clevage) 生成了氯陰離子及聚合物自由基，然後氯陰離子再透過氧化形成氯化合物 (可能是氯氣、鹽酸或次氯酸鹽hypochlorite)，這些氯化合物即可用來氯化芳香族化合物。被除去氯原子的聚合物自由基最後形成長鏈烯類、烷類或與部分芳香化合物發生反應。研究人員說明，因DEHP可以在較低電壓下發生反應，所以可在整個實驗中作為氧化還原介質 (redox mediator)。在這樣較溫和的反應條件下可以降低其他副反應，但缺點是DEHP無法在電解電池系統中長時間穩定存在，所以目前此團隊的焦點放在如何防止DEHP在電解電池系統中被分解，讓電解PVC的效率更高。

在工業上大約有85%的藥物合成涉及氯化學，且大多需要鹽酸，而鹽酸的製造是很耗費能源的，初步報告顯示，若全世界的化學工業改用PVC作為氯源的話，將能減少71%的溫室氣體排放。

水喔！水和重水不再難分難捨

重水 (D₂O) 和水 (H₂O) 的差別在於氫原子的同位素種類不同。同位素是同一元素的不同原子，這些原子具有一樣的質子數，但中子數目卻不同，所以重量不相同，例如氫元素的同位素有氫 (H)、氘 (D)、氚 (T) 三種。

重水在科學界的需求不小，它被廣泛地應用在核磁共振溶劑，也被核電廠拿來作為中子的減速劑。所以如果能從水中分離出重水的話，那將會非常有價值。但事實上是，我們很難分離水和重水，因為氫和氘只差了一顆中子，所以它們的物理性質和化學性質都很接近，例如凝固點 (水: 0 °C；重水: 3.8 °C)、沸點 (水: 100 °C；重水: 101.4 °C) 及鍵能 (水的O—H鍵鍵能: 458.9 kJ/mol；重水的O—D鍵鍵能: 466.4 kJ/mol)。這表示我們很難透過降溫、蒸餾、電解或其他簡易的分離方法來分離兩者。

雖然水和重水的差異極小，但因為分子量不同，還是有略為不同的擴散速率 (diffusion rate)，近日來自日本與中國的研究團隊利用這個微小的差異來成功分離水和重水。該研究使用兩個含銅MOF來放大擴散速率的差異，成功地在室溫下分離95%水和5%重水的混和水蒸氣，其原理是利用材料上的孔洞大小會隨著溫度變化的特性 (temperature-responsive) 來調節兩種物質的擴散。而且，研究人員還發現當水蒸氣接觸到材料表面時，水被孔洞吸收的速率比重水還要快，使得分離效果更好。

其實這並不是第一個以MOF來分離同位素的研究，但研究小組表示他們合成出來的材料較具優勢，因為能夠在室溫下展現高選擇性。不過，加拿大國家研究委員會的研究員Juris Meija持不同的觀點，他解釋:「就該研究的成本和時間而言，仍無法和目前業界使用的Geib-Spevack法匹敵。」。Geib-Spevack法是利用水(H₂O)與硫化氫(H₂S)的同位素交換反應，在常溫下讓H₂O與D₂S反應成D­₂O與H₂S，這是從1940年代至今用來提高水中重水含量的方法。

誰說要排排站：非晶體有機聚合物也可以導電

大部分金屬都是良好的導體，因為其傳導帶和價電帶有部分是重疊的或者能量間隙非常小 (band theory, 能帶理論)，電子能夠在固體內部自由運動；有機材料就不一樣了，它的能量間隙非常大，通常需要透過「摻雜」 (doping) 並使其結晶化來縮小這段能量差距，才有辦法讓有機材料具導電性，但這麼做會使晶體有機導體難以被製作成電子元件，因為我們無法控制其晶體形狀。若有種有機材料可以不需要結晶就具有導電性的話，那將會是材料科學領域的一大進步。

芝加哥大學的John S. Anderson和普林斯頓大學的Jiaze Xie合力研究出一種被稱為含鎳四硫代富勒烯 (NiTTFtt) 的聚合物，該聚合物可以被製成顆粒狀，且不需要形成晶體就具有良好的導電性，該物質甚至能夠在空氣、高溫下及強酸中穩定存在。

為什麼聚合物NiTTFtt不需要結晶就能導電？理論計算結果表明，每一條高分子鏈都具有類金屬導電性 (semi-metallic conductivity)，當把這些高分子鏈放在一起時，不同鍊上的NiTTFtt分子會藉由分子間作用力重疊在一起，使整體表現出金屬特性，因此NiTTFtt能夠以非結晶的狀態導電。

威士忌熟了沒？看“金”的顏色

威士忌(Whisky)是一種以發酵穀物製成的酒精飲料且通常置於木桶中熟成。以國際貿易世界排名第一(45億英鎊)的蘇格蘭威士忌為例，它需要在橡木桶中至少熟成3年。威士忌的風味主要來自於「同源物(congeners)」，這是一種由酒與木桶的木質素(lignin)發生醇解(alcoholysis)反應而生成的化學物質。當威士忌在木桶中的熟成反應不完全，其呈現出來的風味將差強人意，因此，就得繼續把威士忌存於木桶中讓它繼續熟成。目前測量熟成度的傳統方法就是直接用鼻子聞和嘴巴喝，但是這會受到品酒員各自的主觀意識強烈影響，所以該傳統方法所得出的熟成度是沒有公信力的。

那有沒有辦法透過科學方法來測量威士忌的熟成度呢?答案肯定是有的。科學家曾利用氣相層析(GC)、核磁共振(¹H NMR)及高效液相層析(HPLC)來測量威士忌樣品中同源物的多寡。但是，小型釀酒廠或傳統酒倉並沒有辦法負擔這些價格高昂的科學儀器，因此，如果有成本較低廉的測量方法，對釀酒商們來說是一大福音。近日，有研究團隊發展了一種使用金鹽(HAuCl₄)來測量威士忌的熟成度的新方法。根據熟成度(同源物多寡)的不同溶液將呈現黃色(同源物少)至粉紅色(同源物多)，其原因為同源物會還原金離子(Au³⁺)而形成金奈米顆粒，又因奈米金會吸收綠光，所以會讓溶液看起來偏紅。

由於這些奈米顆粒能夠在短短幾分鐘內就被生成，研究團隊表示這項技術可以快速且低成本的幫助酒廠清楚地知道哪些木桶中的威士忌已經熟成完全。該研究團隊甚至發現，不同的同源物會影響奈米金顆粒的大小、形狀及形成速度，因此也可以透過該技術鑑定威士忌中特定化合物的濃度。最後，William J. Peveler(該研究的領導者)提到:「此測量法雖然無法完全取代測試員的工作，但是能使他們的工作輕鬆許多。」

24個紫質的分子環： 人工合成光收集器

光合作用是利用光能把水、二氧化碳或硫化氫等無機物轉變成可以儲存化學能的有機物。植物會在細胞膜上的反應中心把光能轉換成化學能，且每個反應中心通常有100-800個吸收光能的葉綠素，此外每次的吸收都會發生電子激發能量轉移(EET, electronic excitation energy transfer)，上述就是一個完整的光收集系統 (light-harvesting system)。目前被研究最多的光收集系統是紫色細菌的光收集系統1 (LH1)和光收集系統2 (LH2)，因此，該研究將重點聚焦在以人工設計的化學分子模擬光收集系統2中的環型分子—由18個葉綠素分子組合而成的化合物 (B850) 。該化合物有著極快的環內EET (<200 fs)，意思就是它可以在不到200 fs的時間內輸送一連串的能量。

目前化學家們雖然已成功開發數個以卟啉(又稱紫質，porphyrin)為基本單位的環型分子，但它們傳輸能量的速度都比其天然類似物慢很多。直到最近，該研究團隊成功合成出了接近天然物傳輸能量速度 (~350 fs) 的卟啉環分子，該分子包含了24個卟啉及1個丁二炔且具有封閉的共軛結構，其合成方法是以線形的卟啉串且兩端為炔烴的分子為起始物透過鈀催化劑將炔烴連接起來以形成環狀分子。該研究團隊表示，該分子環能有如此高速的能量傳輸速度原因有二：(1) 該環具有封閉的共軛結構、(2) 該環的直徑與天然版本的環相似 (~6 nm)。

光催化翻轉立體中心

掌性分子的立體構形深深影響其化學性質，即只要一發生立體構形轉變(從R變成S或從S變成R)就可以使藥物、香料等不同掌性分子帶來巨大的差別。例如，改變單個取代基的立體化學就可以使有玫瑰香氣的化學分子轉變成具有薄荷味的分子。然而，要透過一步合成就轉變分子立體構形難如登天。化學家們通常得再從最基本的起始物重新合成，才能得到另一種構形的掌性分子。

近日，麻省理工學院的Alison E. Wendlandt及其團隊成功研究出只靠一步合成就能切換掌性分子的構型的方法。他們以癸鎢酸鹽(decatungstate polyanion)和助催化劑(cocatalyst)二硫化物來進行光催化反應(光源為390 nm LED)就有辦法改變掌性三級碳的立體構形，而且該反應條件是非常溫和的。

該研究團隊提出其反應機制是透過照光生成癸鎢酸鹽自由基陰離子，接著該自由基陰離子去拔掉掌性分子中三級碳上的氫，然後一個氫原子再接回三級碳上，就能成功改變了掌性分子的構形。該團隊也發現這項反應方法也可以應用在合成含有多種官能基的掌性分子上，因此，此項方法可以讓化學家們隨時切換較複雜的、合成序列上較後期的(late-stage)掌性分子的立體構形。最後Wendlandt表示「我們只需要一個或幾個步驟就可以轉換立體構形，此舉將極大地擴大掌性分子的應用範圍。」

單分子記憶體：既使稀釋了，也記得！

「單」分子記憶體的發明，可以使我們日常生活中常用到的「記憶裝置」(例如硬碟、隨身碟等等)變得更小、更薄且降低能耗。那什麼樣的化學分子才具備記憶功能呢?答案是自旋交叉錯合物(Spin-crossover complex, SCO)。這些過渡金屬錯合物可以透過外部刺激(溫度、光、壓力、磁場等等)在高自旋狀態(High-spin state)和低自旋狀態(Low-spin state)之間自由轉換，因此，這類分子在固態擁有磁滯現象 (Thermal hysteresis loop)，即使得它們有磁記憶效應且可用作數據儲存。然而，目前所研發出的SCO只有辦法在非常低溫的環境下才能展現出磁滯效應(目前能表現出磁滯效應的最高記錄溫度為80 K)，以致於分子記憶體無法在我們的日常生活中廣泛地被應用。

近日，西班牙的塔拉戈納加泰羅尼亞化學研究所的團隊研發出一種鐵三唑 (Triazole) 陰離子錯合物，它可以在室溫下以「單分子」的形態展現出磁滯效應，該團隊也發現此分子就算是在缺乏緊密排列的溶液態或者在只有5%鐵錯合物的固體中也都能在常溫中表現出磁滯現象。這一發現打破了既有的理論，即需要在固體裡讓分子與分子緊密排列而產生交互作用，進而才能發生磁滯效應。

研究團隊提出，該錯合物在室溫時，原子會重新排列，帶負電的基團在空間中會互相分離，這賦予該分子在室溫下也能展現出磁滯效應，除此之外，該錯合物的陰離子與陰離子之間產生的氫鍵也賦予了雙穩態性。該研究團隊指出室溫單分子記憶體將為數據儲存創造新的可能性，這將減少空間使用和能源消耗。