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解读今年化学诺奖成果:超分子化学以及分子机器
 
News sources:   Author:   Time:2016-10-14 11:24:27  

   

大家都知道,今年的诺贝尔化学奖颁发给了法国斯特拉斯堡大学(University of Strasbourg)的Jean-Pierre Sauvage、美国西北大学(Northwestern University)的Sir J. Fraser Stoddart、荷兰格罗宁根大学(University of Groningen)的Bernard L. Feringa,以表彰他们在分子机器(molecular machines)领域的贡献,X-MOL之前也做过快讯报道(点击阅读相关)。很多人认为这是超分子化学继1987年后第二次拿诺奖,笔者作为一名超分子化学领域工作者,第一反应当然是对这种说法持肯定态度。

   

但是仔细推敲想来,这种说法并不完全正确。如果你打开诺贝尔奖的官网,点开今年化学奖的Scientific Background(一份长达16页的pdf文件),输入“supramolecular”进行搜索,你会发现正文中一次都没有提到超分子化学,唯一的一次是在引用文献里。那么问题来了,分子机器跟超分子化学到底有什么关系呢?是什么让超分子化学家们如此兴奋激动呢?


超分子化学的研究范畴非常广泛,但还没有一个完整、准确的定义和范畴。1987年获得诺贝尔化学奖是超分子化学发展的一个重要里程碑,当年化学诺奖的得主是Donald J. Cram、Jean-Marie Lehn和Charles J. Pedersen,他们的主要贡献是设计和合成了可以模拟生物中锁钥关系的主体分子,这些主体分子可以选择性的识别客体分子。超分子化学的概念由Jean-Marie Lehn提出,并将其定义为“超越分子层次的化学”(有很多人误解超分子是指分子量大的分子,这里做个澄清~~)。也就是说,超分子化学不是研究某一个单一的分子,而是研究的两个及以上的分子之间的行为。这些分子通过非共价键结合在一起,比如氢键、静电作用、π-π作用、离子-π作用、疏水作用、配位键等等。

   

传统的超分子化学主要研究大环化学,其中大环包括冠醚、环糊精、杯芳烃、卟啉与环蕃、大环多胺、瓜环或葫环联脲等等。在分子机器领域,有两类分子体系极其常见,索烃(catenane)和轮烷(rotaxane)。索烃是指两个或两个以上的大环套在一起,除非环分子内的共价键断开,否则互锁的环不能够分开(如下图,上)。轮烷是指由一个环状分子套在哑铃状的线型分子上,从而形成自锁的分子体系(如下图,下)。“机械键”是该领域化学家的常用名词,他们认为在索烃和轮烷中,环与环、环和线之间以机械键结合,这一类体系应归为超分子化学领域,因为他们都是研究分子与分子(环分子与环分子、环分子和线分子)之间的作用,而非某一分子的行为。Stoddart教授在去年为Supramolecular Chemistry杂志所写的序言中,也多次提到机械键与超分子化学的关系,感兴趣的读者可以前往一观(A Plat form for Change. J. Fraser Stoddart, Supramol. Chem., 2015, DOI: 10.1080/10610278.2015.1049068)。

索烃和轮烷。图片来源:The Nobel Foundation


分子机器实际上就是能进行受控运动的分子,在外界施加能量时可完成某种具体的任务,例如分子电梯、分子肌肉、分子马达(分子发动机)等。诺奖委员会认为分子机器已经使得机器小型化,并推动化学到达了一个新的维度。小型化为什么重要?稍微回顾一下计算机技术的发展历程,就应该能知道小型化非常有潜力带来一次技术革命。至于超分子化学与分子机器的关系,笔者以为貌似可以借用“剪不断,理还乱”来描述。

分子机器工作原理简介。图片来源:Nature

   
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