快速废掉化学武器的新化合物

美国武器储备库里等待销毁的化学武器。

　　 2013年，叙利亚军方涉嫌将沙林毒气火箭发射到叛军控制的镇子上，造成数百人死亡。经过外交家们的周旋，达成秘密协议，同意销毁这些武器。之后，国际组织开始了一项危险的工作——销毁这些武器。处理化学武器的一个障碍就是：温湿环境很快就会将能够废掉其中致命化学物质的酶分解掉。现在，研究人员开发出一种极为稳定的化合物，这种化合物在几分钟之内就能够将沙林之类神经性毒剂的活性阻断。

　　为了制造出这种化合物，伊利诺斯州埃文斯顿市西北大学化学家奥马尔·法哈（Omar Farha）和约瑟夫·赫普（Joseph Hupp）去大自然中寻找灵感。细菌产生一种叫做磷酸三酯酶（phosphotriesterase）的酶类，这种酶能够以极快的速度阻断某些杀虫剂以及化学类神经性毒气的活性，在数毫秒的时间内就能够销毁化学武器。但是，这样的酶很不稳定，极易降解。这些化学家们开始重塑磷酸三酯酶分解化学毒素的机制，创造出一种人造催化剂，能够使其在最恶劣的环境条件下保存下来。

　　他们进行利用金属有机骨架（MOFs）进行研究。金属有机骨架是最近开发出来的一类由金属构成的多孔化合物，其中的金属被排列在由碳基分子连接的晶体网状结构中。金属有机骨架是具有高度适应性的材料，科学家们可以通过换掉其中的金属或换掉连接分子来优化这种材料，使其适合各种各样的应用，例如：用于二氧化碳的捕获以及氢和甲烷的存储。由于金属有机骨架是多孔结构，因而这种材料拥有较大的表面积，可以快速产生化学键，使其成为理想的催化剂候选材料。

　　在天然磷酸三酯酶中，两个锌原子充当所谓的路易斯酸，接受跟神经毒剂结合的电子。一旦跟这种毒剂结合在一起，就会发生水解——水分子开始袭击这种毒剂，将基本化学键切割开来，从而使其失去活性。科学家们设计了一种具有同样结构的金属有机骨架，但是他们利用锆代替了锌，锆同样能够起到路易斯酸的作用，有利于制造一种超稳定的金属有机骨架。

　　他们针对一种化学性质类似神经毒剂的杀虫剂测试了这种被称为NU-1000的化合物，只是这种杀虫剂试验起来更加安全。在十五分钟之内，NU-1000使一半的杀虫剂失去了活性——对于这种有毒化学物质，这是利用金属有机骨架所取得的最快分解速度，这个速度是该研究小组以前所使用金属有机骨架的三倍。今天，研究小组在《自然-材料》杂志在线版上报道说：他们将这种化合物送到美国陆军设备处，其中配有研究神经毒剂的设备，那里的军事科学家们测量到摧毁神经毒剂梭曼（GD）时的半衰期为三分钟，而梭曼是一种比沙林毒性更强的毒剂。这种新化合物破坏梭曼的速度比以前的金属有机骨架快了80倍。

　　在以前金属有机骨架的基础上，NU-1000有所改进，部分原因在于金属节点之间的孔隙较大，使化学毒剂能够渗透到金属有机骨架结构之中，跟其中的锆充分发生反应。然而，这种反应既不会将NU-1000用尽，也不会将其分解，因此相对少量的NU-1000就足够使用，而且这种化合物可以重复使用。德克萨斯大学圣安东尼奥分校的化学家陈邦林（Banglin Chen）说：“这种使用金属有机骨架的方法很独特，也很有前途。”陈邦林称之为“一项真正了不起的成果”。

　　可是，要想备好NU-1000，随时将其投入使用，还需要做更多的研究。德克萨斯州大学城德州农工大学生物学家弗兰克·劳歇尔（Frank Raushel）说：天然酶——磷酸三酯酶的作用速度要快1000倍至10万倍。他说：“为了使金属有机骨架在任何意义上都具有实用性，当然必须要使其更加优化。”比如，将NU-1000用在防毒面具上的话，其速度还不够快，因为防毒面具中的空气一定要尽快得到净化，以便适合战士们用来呼吸。

　　法哈称：这些发现对于制造更加先进的催化剂将会起到引导作用。通过模拟化学反应，研究小组能够理解这种催化剂是如何起作用的，突出了大孔结构的重要性以及以锆为基础的金属有机骨架所带来的好处。法哈说：“了解到所有这些设计规则之后，我们现在知道下一步该怎么做了。”他希望，他们最终能够在投产之前预测到这种催化剂到底会发挥多大的作用。

　　“该研究为未来搭建了一个平台。”劳歇尔说，“他们的研究正在朝着正确的方向发展。”