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    解讀今年化學諾獎成果:超分子化學以及分子機器
     
    來源:   作者:   時間:2016-10-14 11:24:27  

       

    大家都知道,今年的諾貝爾化學獎頒發給了法國斯特拉斯堡大學(University of Strasbourg)的Jean-Pierre Sauvage、美國西北大學(Northwestern University)的Sir J. Fraser Stoddart、荷蘭格羅寧根大學(University of Groningen)的Bernard L. Feringa,以表彰他們在分子機器(molecular machines)領域的貢獻,X-MOL之前也做過快訊報道(點擊閱讀相關)。很多人認為這是超分子化學繼1987年后第二次拿諾獎,筆者作為一名超分子化學領域工作者,第一反應當然是對這種說法持肯定態度。

       

    但是仔細推敲想來,這種說法并不完全正確。如果你打開諾貝爾獎的官網,點開今年化學獎的Scientific Background(一份長達16頁的pdf文件),輸入“supramolecular”進行搜索,你會發現正文中一次都沒有提到超分子化學,唯一的一次是在引用文獻里。那么問題來了,分子機器跟超分子化學到底有什么關系呢?是什么讓超分子化學家們如此興奮激動呢?


    超分子化學的研究范疇非常廣泛,但還沒有一個完整、準確的定義和范疇。1987年獲得諾貝爾化學獎是超分子化學發展的一個重要里程碑,當年化學諾獎的得主是Donald J. Cram、Jean-Marie Lehn和Charles J. Pedersen,他們的主要貢獻是設計和合成了可以模擬生物中鎖鑰關系的主體分子,這些主體分子可以選擇性的識別客體分子。超分子化學的概念由Jean-Marie Lehn提出,并將其定義為“超越分子層次的化學”(有很多人誤解超分子是指分子量大的分子,這里做個澄清~~)。也就是說,超分子化學不是研究某一個單一的分子,而是研究的兩個及以上的分子之間的行為。這些分子通過非共價鍵結合在一起,比如氫鍵、靜電作用、π-π作用、離子-π作用、疏水作用、配位鍵等等。

       

    傳統的超分子化學主要研究大環化學,其中大環包括冠醚、環糊精、杯芳烴、卟啉與環蕃、大環多胺、瓜環或葫環聯脲等等。在分子機器領域,有兩類分子體系極其常見,索烴(catenane)和輪烷(rotaxane)。索烴是指兩個或兩個以上的大環套在一起,除非環分子內的共價鍵斷開,否則互鎖的環不能夠分開(如下圖,上)。輪烷是指由一個環狀分子套在啞鈴狀的線型分子上,從而形成自鎖的分子體系(如下圖,下)!機械鍵”是該領域化學家的常用名詞,他們認為在索烴和輪烷中,環與環、環和線之間以機械鍵結合,這一類體系應歸為超分子化學領域,因為他們都是研究分子與分子(環分子與環分子、環分子和線分子)之間的作用,而非某一分子的行為。Stoddart教授在去年為Supramolecular Chemistry雜志所寫的序言中,也多次提到機械鍵與超分子化學的關系,感興趣的讀者可以前往一觀(A Plat form for Change. J. Fraser Stoddart, Supramol. Chem., 2015, DOI: 10.1080/10610278.2015.1049068)。

    索烴和輪烷。圖片來源:The Nobel Foundation


    分子機器實際上就是能進行受控運動的分子,在外界施加能量時可完成某種具體的任務,例如分子電梯、分子肌肉、分子馬達(分子發動機)等。諾獎委員會認為分子機器已經使得機器小型化,并推動化學到達了一個新的維度。小型化為什么重要?稍微回顧一下計算機技術的發展歷程,就應該能知道小型化非常有潛力帶來一次技術革命。至于超分子化學與分子機器的關系,筆者以為貌似可以借用“剪不斷,理還亂”來描述。

    分子機器工作原理簡介。圖片來源:Nature

       
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