胡德良 譯

快速?gòu)U掉化學(xué)武器的新化合物

胡德良 譯

2013年，敘利亞軍方涉嫌將沙林毒氣火箭發(fā)射到叛軍控制的小鎮(zhèn)，造成數(shù)百人死亡。經(jīng)過(guò)外交家們的周旋，達(dá)成秘密協(xié)議，同意銷(xiāo)毀這些武器。之后，國(guó)際組織開(kāi)始了一項(xiàng)危險(xiǎn)的工作——銷(xiāo)毀這些武器。處理化學(xué)武器的一個(gè)障礙就是：溫濕環(huán)境很快就會(huì)將能夠廢掉其中致命化學(xué)物質(zhì)的酶分解掉?，F(xiàn)在，研究人員開(kāi)發(fā)出一種極為穩(wěn)定的化合物，這種化合物在幾分鐘之內(nèi)就能夠?qū)⑸沉种惿窠?jīng)性毒劑的活性阻斷。

為了制造出這種化合物，伊利諾斯州埃文斯頓市西北大學(xué)化學(xué)家?jiàn)W馬爾·法哈（Omar Farha）和約瑟夫·赫普（Joseph Hupp）去大自然中尋找靈感。細(xì)菌產(chǎn)生一種叫做磷酸三酯酶（phosphotriesterase）的酶類，這種酶能夠以極快的速度阻斷某些殺蟲(chóng)劑以及化學(xué)類神經(jīng)性毒氣的活性，在數(shù)毫秒的時(shí)間內(nèi)就能夠銷(xiāo)毀化學(xué)武器。但是，這樣的酶很不穩(wěn)定，極易降解。這些化學(xué)家們開(kāi)始重塑磷酸三酯酶分解化學(xué)毒素的機(jī)制，創(chuàng)造出一種人造催化劑，能夠使其在最惡劣的環(huán)境條件下保存下來(lái)。

他們利用金屬有機(jī)骨架（MOFs）進(jìn)行研究。金屬有機(jī)骨架是最近開(kāi)發(fā)出來(lái)的一類由金屬構(gòu)成的多孔化合物，其中的金屬被排列在由碳基分子連接的晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。金屬有機(jī)骨架是具有高度適應(yīng)性的材料，科學(xué)家們可以通過(guò)換掉其中的金屬或換掉連接分子來(lái)優(yōu)化這種材料，使其適合各種各樣的應(yīng)用，例如：用于二氧化碳的捕獲以及氫和甲烷的存儲(chǔ)。由于金屬有機(jī)骨架是多孔結(jié)構(gòu)，因而這種材料擁有較大的表面積，可以快速產(chǎn)生化學(xué)鍵，使其成為理想的催化劑候選材料。

在天然磷酸三酯酶中，兩個(gè)鋅原子充當(dāng)所謂的路易斯酸，接受跟神經(jīng)毒劑結(jié)合的電子。一旦跟這種毒劑結(jié)合在一起，就會(huì)發(fā)生水解——水分子開(kāi)始襲擊這種毒劑，將基本化學(xué)鍵切割開(kāi)來(lái)，從而使其失去活性?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種具有同樣結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)骨架，但是他們利用鋯代替了鋅，鋯同樣能夠起到路易斯酸的作用，有利于制造一種超穩(wěn)定的金屬有機(jī)骨架。

他們針對(duì)一種化學(xué)性質(zhì)類似神經(jīng)毒劑的殺蟲(chóng)劑測(cè)試了這種被稱為NU-1000的化合物，只是這種殺蟲(chóng)劑試驗(yàn)起來(lái)更加安全。在15分鐘之內(nèi)，NU-1000使一半的殺蟲(chóng)劑失去了活性——對(duì)于這種有毒化學(xué)物質(zhì)，這是利用金屬有機(jī)骨架所取得的最快分解速度，這個(gè)速度是該研究小組以前所使用金屬有機(jī)骨架的三倍。不久前，研究小組在《自然-材料》（Nature Materials）雜志在線版上報(bào)道說(shuō)：他們將這種化合物送到美國(guó)陸軍設(shè)備處，其中配有研究神經(jīng)毒劑的設(shè)備，那里的軍事科學(xué)家們測(cè)量到摧毀神經(jīng)毒劑梭曼（GD）時(shí)的半衰期為三分鐘，而梭曼是一種比沙林毒性更強(qiáng)的毒劑。這種新化合物破壞梭曼的速度比以前的金屬有機(jī)骨架快了80倍。

在以前金屬有機(jī)骨架的基礎(chǔ)上，NU-1000有所改進(jìn)，部分原因在于金屬節(jié)點(diǎn)之間的孔隙較大，使化學(xué)毒劑能夠滲透到金屬有機(jī)骨架結(jié)構(gòu)之中，跟其中的鋯充分發(fā)生反應(yīng)。然而，這種反應(yīng)既不會(huì)將NU-1000用盡，也不會(huì)將其分解，因此相對(duì)少量的NU-1000就足夠使用，而且這種化合物可以重復(fù)使用。德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的化學(xué)家陳邦林（Banglin Chen）說(shuō)：“這種使用金屬有機(jī)骨架的方法很獨(dú)特，也很有前途?！标惏盍址Q之為“一項(xiàng)真正了不起的成果”。

可是，要想備好NU-1000，隨時(shí)將其投入使用，還需要做更多的研究。德克薩斯州大學(xué)城德州農(nóng)工大學(xué)生物學(xué)家弗蘭克·勞歇爾（Frank Raushel）說(shuō)：天然酶——磷酸三酯酶的作用速度要快1 000倍至10萬(wàn)倍。他說(shuō)：“為了使金屬有機(jī)骨架在任何意義上都具有實(shí)用性，當(dāng)然必須要使其更加優(yōu)化?！北热纾瑢U-1000用在防毒面具上的話，其速度還不夠快，因?yàn)榉蓝久婢咧械目諝庖欢ㄒM快得到凈化，以便適合戰(zhàn)士們用來(lái)呼吸。

法哈稱：這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于制造更加先進(jìn)的催化劑將會(huì)起到引導(dǎo)作用。通過(guò)模擬化學(xué)反應(yīng)，研究小組能夠理解這種催化劑是如何起作用的，突出了大孔結(jié)構(gòu)的重要性以及以鋯為基礎(chǔ)的金屬有機(jī)骨架所帶來(lái)的好處。法哈說(shuō)：“了解到所有這些設(shè)計(jì)規(guī)則之后，我們現(xiàn)在知道下一步該怎么做了?！彼Ｍ?，他們最終能夠在投產(chǎn)之前預(yù)測(cè)到這種催化劑到底會(huì)發(fā)揮多大的作用。

“該研究為未來(lái)搭建了一個(gè)平臺(tái)?！眲谛獱栒f(shuō)，“他們的研究正在朝著正確的方向發(fā)展?！?/p>