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射到叛軍控制的小鎮，造成數百人死亡。經過外交家們的周旋，達成秘密協議，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：溫濕環境很快就會將能夠廢掉其中致命化學物質的酶分解掉。現在，研究人員開發出一種極為穩定的化合物，這種化合物在幾分鐘之內就能夠將沙林之類神經性毒劑的活性阻斷。

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性毒氣的活性，在數毫秒的時間內就能夠銷毀化學武器。但是，這樣的酶很不穩定，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，創造出一種人造催化劑，能夠使其在最惡劣的環境條件下保存下來。

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出來的一類由金屬構成的多孔化合物，其中的金屬被排列在由碳基分子連接的晶體網狀結構中。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構，因而這種材料擁有較大的表面積，可以快速產生化學鍵，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，接受跟神經毒劑結合的電子。一旦跟這種毒劑結合在一起，就會發生水解——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。科學家們設計了一種具有同樣結構的金屬有機骨架，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定的金屬有機骨架。

他們針對一種化學性質類似神經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，NU-1000使一半的殺蟲劑失去了活性——對于這種有毒化學物質，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，其中配有研究神經毒劑的設備，那里的軍事科學家們測量到摧毀神經毒劑梭曼（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上，NU-1000有所改進，部分原因在于金屬節點之間的孔隙較大，使化學毒劑能夠滲透到金屬有機骨架結構之中，跟其中的鋯充分發生反應。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，以便適合戰士們用來呼吸。

法哈稱：這些發現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，突出了大孔結構的重要性以及以鋯為基礎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則之后，我們現在知道下一步該怎么做了。”他希望，他們最終能夠在投產之前預測到這種催化劑到底會發揮多大的作用。

“該研究為未來搭建了一個平臺。”勞歇爾說，“他們的研究正在朝著正確的方向發展。”