近日，上海師範大學生命與環境科學學院化學系肖勝雄教授課題組在
Nature《自然》發表論文，報道單分子絕緣體研究領域重要突破；隨後，該學院化學系趙寶國教授課題組在Science《科學》上發表論文，報道仿生催化和有機小分子催化研究領域獲重要突破。數據顯示該院化學學科2015年1月已進入ESI（Essential Science Indicators,基本科學指標）世界前1%學科。
一、肖勝雄教授課題組在Nature發表論文，單分子絕緣體研究領域獲重要突破
上海師範大學生命與環境科學學院化學系肖勝雄教授、美國哥倫比亞大學Colin Nuckolls 教授、Latha Venkataraman 教授、以及丹麥哥本哈根大學Gemma Solomon 教授通力合作，通過對環硅烷分子電子結構的調控，開發了一種具有破壞性量子干涉效應的Si[222]橋環硅烷材料，有效降低了分子電導，實現了在1 nm以下的單分子超級絕緣，在單分子尺度上阻止了量子隧穿。研究成果以“Comprehensive suppression of single-molecule conductance using destructive σ-interference”（通過破壞性的σ鍵量子干涉實現單分子電導的全面抑制）為題，於2018年 6月6日在Nature（《自然》）上發表，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0197-9。
肖勝雄教授課題組
摩爾定律預測半導體器件的尺寸會越來越小，然而當硅電子器件的尺寸從宏觀狀態演化到小分子尺度比如單個有機硅分子時，量子效應將起到主導作用，宏觀下的電學規律將不再適用，比如量子隧穿效應等將使摩爾定律面臨挑戰。
圖：電子在硅單分子導線中隧穿時的波函數衰減情況及電子傳導情況：A）直鏈硅烷分子線Si4、模擬真空縫隙硅分子線Si4-cut和橋環硅烷分子線Si[222]三種分子的結構示意圖；B）三種分子導線在電子隧穿過程中的波函數衰減示意圖；C）分子導線中的電子傳導通道示意圖，箭頭的粗細與電子傳導元素的強度成正比，而箭頭顏色則代表傳輸方向，紅色箭頭表示有效的電子傳導，藍色箭頭表示破壞性的量子干涉。
通過掃描隧道顯微鏡斷裂分子結(STM-BJ)測試（與美國哥倫比亞大學合作完成），結合密度泛函計算（與丹麥哥本哈根大學合作完成），從本質上解釋了電導與分子結構的關係，並發現Si[222]具有破壞性的d-鍵量子干涉效應（圖C中藍色箭頭所示），在單分子電導測試中顯示出超級單分子絕緣性能（圖B所示），其單分子電導甚至低於同等尺寸的絕對真空。本研究通過電子結構的調控，首次實現了破壞性的σ鍵量子干涉效應，為摩爾定律突破到單分子級別提供了可行性支持，對單分子電子學以及量子計算機等研究領域具有重要意義。
丹麥哥本哈根大學博士生Marc Garner、美國哥倫比亞大學博士生Haixing Li以及上海師範大學碩士生陳豔同學為論文的共同第一作者，上海師範大學肖勝雄教授、美國哥倫比亞大學Colin Nuckolls 教授、美國哥倫比亞大學 Latha Venkataraman 教授、以及丹麥哥本哈根大學Gemma Solomon 教授為論文共同通訊作者。
二、趙寶國教授課題組Science《科學》上發表論文，在仿生催化和有機小分子催化研究領域獲重要突破
上海師範大學資源化學教育部重點實驗室趙寶國課題組在仿生催化和有機小分子催化等領域中展開研究，提出和發展了“羰基催化”的新型催化模式，研究成果以“Carbonyl Catalysis Enables a Biomimetic Asymmetric Mannich Reaction”（羰基催化的策略實現仿生的不對稱曼尼希反應）為題，於6月29日在Science（《科學》）上發表論文（DOI: 10.1126/science.aat4210）。
仿生催化是向大自然學習、模擬生物酶的化學催化技術，它有利於實現從源頭減少汙染，順應了綠色及可持續性發展戰略的需要，是催化學科的一種重要發展趨勢。本研究是基於輔酶維生素B6的仿生催化的工作, 將維生素B6這一生物元素性地得到一系列手性的a,b-二氨酸酯類化合物。a,b-二氨酸是一類具有很高生物活性的重要化合物，如抗生素L應用於催化與合成的領域中。趙寶國課題組主要從事綠色化學方向的研究，發展綠色的合成方法。我們進行的仿生催化的研究就是為了發展像生物酶一樣的催化劑，使其具有環境友好、條件溫和、反應高效和產物選擇性好等特點，從而實現從源頭上減少和控制汙染。
羰基催化模式
在本研究中，課題組基於維生素 B6核心骨架發展了軸手性N-甲基吡哆醛催化劑，並用羰基催化的策略實現了仿生的不對稱曼尼希反應。催化劑能像酶一樣在含水體系中催化甘氨酸酯對亞胺的不對稱加成，高活性、高選擇avendomycin和血小板糖蛋白Ⅱb/Ⅲa受體拮抗劑Roxifiban中都含有手性a,b-二氨酸結構片斷，該研究工作為此類化合物的製備提供了一種高效的、綠色的合成方法。反應如酶催化過程類似，催化劑對兩個反應底物具有協同的雙重活化作用，因此表現出非常優秀的催化效果。
仿生曼尼希反應
輔酶維生素B6在生物體內表現出強大的催化功能，能催化很多轉化，但其催化能力在有機化學中不僅沒有得到足夠的認識，更沒有得到發展。趙寶國課題組一直致力於基於維生素 B6核心骨架的仿生催化的研究。在前期的研究中，已經發展了多種手性吡哆醛/吡哆胺催化體系，實現了手性吡哆醛/吡哆胺催化仿生不對稱轉氨化，可以用於合成各種重要的手性氨基酸，這也是第一次實現的基於輔酶維生素B6核心骨架在仿生不對稱催化領域中的應用（Org. Lett. 2015, 17, 5784；J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10730；Org. Lett. 2016, 18, 3658）。
該研究工作的意義體現在兩個方面：其一是提出和實現了羰基催化的新催化模式，羰基催化有可能會帶來許多新的轉化和反應，是有機小分子催化領域中的一個重要進展；其二是在課題組前期的工作基礎上，進一步拓展了輔酶維生素 B6核心骨架在不對稱催化領域中的應用，為把這一奇妙生物元素的強大催化功能在有機化學中發揮出來，打下了更為堅實的基礎，是仿生催化領域的一個重要進展。該研究和後續的工作將來會為有機合成、精細化工、生物醫藥等領域帶來更多的應用價值。
一個月內，一篇《Nature》一篇《Science》，這些研究成果的取得是上海師範大學近年來在加強科研創新平臺及學科建設、推進高水平研究團隊建設方面所取得重要成果的一個縮影，充分體現了上海師範大學在一流學科建設中的特色和優勢。
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