快速廢掉化學武器的新化合物

胡德良 譯

快速廢掉化學武器的新化合物

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)過外交家們的周旋，達成秘密協(xié)議，同意銷毀這些武器。之后，國際組織開始了一項危險的工作——銷毀這些武器。處理化學武器的一個障礙就是：溫濕環(huán)境很快就會將能夠廢掉其中致命化學物質(zhì)的酶分解掉?，F(xiàn)在，研究人員開發(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化學家奧馬爾·法哈（Omar Farha）和約瑟夫·赫普（Joseph Hupp）去大自然中尋找靈感。細菌產(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劑以及化學類神經(jīng)性毒氣的活性，在數(shù)毫秒的時間內(nèi)就能夠銷毀化學武器。但是，這樣的酶很不穩(wěn)定，極易降解。這些化學家們開始重塑磷酸三酯酶分解化學毒素的機制，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。

他們利用金屬有機骨架（MOFs）進行研究。金屬有機骨架是最近開發(fā)出來的一類由金屬構(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。金屬有機骨架是具有高度適應性的材料，科學家們可以通過換掉其中的金屬或換掉連接分子來優(yōu)化這種材料，使其適合各種各樣的應用，例如：用于二氧化碳的捕獲以及氫和甲烷的存儲。由于金屬有機骨架是多孔結(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，兩個鋅原子充當所謂的路易斯酸，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，就會發(fā)生水解——水分子開始襲擊這種毒劑，將基本化學鍵切割開來，從而使其失去活性?？茖W家們設計了一種具有同樣結(jié)構(gòu)的金屬有機骨架，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)定的金屬有機骨架。

他們針對一種化學性質(zhì)類似神經(jīng)毒劑的殺蟲劑測試了這種被稱為NU-1000的化合物，只是這種殺蟲劑試驗起來更加安全。在15分鐘之內(nèi)，NU-1000使一半的殺蟲劑失去了活性——對于這種有毒化學物質(zhì)，這是利用金屬有機骨架所取得的最快分解速度，這個速度是該研究小組以前所使用金屬有機骨架的三倍。不久前，研究小組在《自然-材料》（Nature Materials）雜志在線版上報道說：他們將這種化合物送到美國陸軍設備處，其中配有研究神經(jīng)毒劑的設備，那里的軍事科學家們測量到摧毀神經(jīng)毒劑梭曼（GD）時的半衰期為三分鐘，而梭曼是一種比沙林毒性更強的毒劑。這種新化合物破壞梭曼的速度比以前的金屬有機骨架快了80倍。

在以前金屬有機骨架的基礎(chǔ)上，NU-1000有所改進，部分原因在于金屬節(jié)點之間的孔隙較大，使化學毒劑能夠滲透到金屬有機骨架結(jié)構(gòu)之中，跟其中的鋯充分發(fā)生反應。然而，這種反應既不會將NU-1000用盡，也不會將其分解，因此相對少量的NU-1000就足夠使用，而且這種化合物可以重復使用。德克薩斯大學圣安東尼奧分校的化學家陳邦林（Banglin Chen）說：“這種使用金屬有機骨架的方法很獨特，也很有前途。”陳邦林稱之為“一項真正了不起的成果”。

可是，要想備好NU-1000，隨時將其投入使用，還需要做更多的研究。德克薩斯州大學城德州農(nóng)工大學生物學家弗蘭克·勞歇爾（Frank Raushel）說：天然酶——磷酸三酯酶的作用速度要快1 000倍至10萬倍。他說：“為了使金屬有機骨架在任何意義上都具有實用性，當然必須要使其更加優(yōu)化。”比如，將NU-1000用在防毒面具上的話，其速度還不夠快，因為防毒面具中的空氣一定要盡快得到凈化，以便適合戰(zhàn)士們用來呼吸。

法哈稱：這些發(fā)現(xiàn)對于制造更加先進的催化劑將會起到引導作用。通過模擬化學反應，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)的金屬有機骨架所帶來的好處。法哈說：“了解到所有這些設計規(guī)則之后，我們現(xiàn)在知道下一步該怎么做了。”他希望，他們最終能夠在投產(chǎn)之前預測到這種催化劑到底會發(fā)揮多大的作用。

“該研究為未來搭建了一個平臺?！眲谛獱栒f，“他們的研究正在朝著正確的方向發(fā)展。”