分子机器的设计与合成——2016年诺贝尔化学奖解读

法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索维奇（Jean-Pierre Sauvage）和美国西北大学的弗雷泽·斯托达特（J.Fraser Stoddart）利用机械键设计了锁链分子机器--索烃和轮烷,荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加（Bernard L.Feringa）基于不饱和键合成分子马达实现了分子机器的单向旋转,3位科学家因“设计、合成分子机器”而被授予2016年诺贝尔化学奖。     

基于24-冠-8大环化合物构筑的人工分子器件和分子机器

简要阐述了分子器件和分子机器的相关概念,按照调控方式分类综述了基于24冠8的准轮烷、轮烷和索烃大环化合物构筑的分子器件和分子机器等在超分子领域的研究进展并对研究前景作了展望.     

化学驱动的[2]轮烷型分子梭

机械互锁的轮烷型分子梭在分子机器化学领域具有重要的位置,可通过"积小为大"的方法在分子水平进行新材料的自组装.在外界的刺激下,大环分子可以在轴分子的不同识别位点间或态间往复穿梭,从而引起体系物理或化学性质的交替变化,这种变化又构成了一类基本的机械开关,可以用来执行特定的功能,在分子开关、信息储存和处理等领域具有潜在的应用前景,是超分子化学领域的研究热点.本文以[2]轮烷型分子梭的驱动力(外部刺激)为主线,分别从酸碱驱动、离子配位作用驱动和溶剂极性改变引起的疏水驱动等角度,综述了近年来化学驱动的[2]轮烷型分子梭在合成和应用方面的最新研究进展,同时介绍了其他力(如热力学参数熵、互锁体系中修饰基团尺寸大小、外加化学氧化剂或还原剂、得失电子引起的电化学氧化还原以及紫外-可见光照射诱发的偶氮苯顺反光异构化等方式)驱动的轮烷型分子梭的进展,最后对化学驱动的[2]轮烷型分子梭的未来发展趋势进行了展望.     

含有α-CD的新型[2]轮烷的合成

通过醋酸钯催化的Suzuki偶联反应,在室温下于水溶液中通过超分子自组装制备了以α-CD(α-环糊精)为大环,异酞酸为端塞,二苯乙烯衍生物为链的新型超分子轮烷。通过加入浓HCl调节反应溶液的pH值<1,用正丁醇萃取,将含有α-CD大环的轮烷分子与水溶液中多余的α-CD分离,再用硅胶柱层析分离得到纯的只含有1个α-CD大环的轮烷分子,从而简化了分离难度。采用1HNMR和质谱分析结果表明,所制得的轮烷为α-CD(主体)与哑铃状分子(客体)的摩尔比为1:1的[2]轮烷。     

准聚轮烷的研究进展

准聚轮烷由于在刺激响应性材料、自修复材料、分子机器及荧光传感器等领域有着潜在的应用价值,近年来引起了研究人员极大的兴趣。根据准轮烷基团所处位置的不同,可将准聚轮烷分为三种类型：主链型、侧链型和其他类型 （如支化和网状准聚轮烷等）。本综述主要根据上述三种类型,基于冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲和柱芳烃这五种超分子主体分子所构筑的准聚轮烷的最新研究进展进行简要的综述,并对其未来的发展作了进一步的展望。     

客体分子末端基团驱动的七元瓜环类轮烷自组装

以1,2-二(4-吡啶基)乙烯为母体,设计合成了系列基于烷基链末端基团分别为—COOH,—CH_2Br和—CH_3的阳离子型线性客体分子(G1~G3).研究结果表明,末端基团为—COOH的客体分子G1可驱动七元瓜环滑过1,2-二(4-吡啶基)乙烯形成[2]类轮烷分子梭及[3]类轮烷;客体分子G2和G3则不能驱动七元瓜环滑过吡啶基乙烯母体部分,但是G2的—CH_2Br基团可驱动七元瓜环靠近吡啶基乙烯基团并形成稳定的[2]类轮烷.这一现象可归因于链状分子末端基团与瓜环端口羰基氧作用时的静电势差异.     

具有分子机器、分子开关功能的自组装超分子体系

本文介绍了具有分子梭或分子开关性质的新型轮烷和索烃超分子以及具有分子机器功能的其它类型化学和生物分子的国际研究最新动态。     

运用静电势图像分割方法预测超分子结合能

[2]-轮烷是由大环与分子链组成的两组分超分子体系,计算评估大环和链之间的结合强度,对于理解超分子识别和超分子体系可控设计尤为重要.本文借鉴计算机图像处理技术,通过全局阈值分割方法将大环和链的静电势图像分成两个片段,两者的静电势差值近似为[2]-轮烷体系的结合能.该计算方法可以直观简便地预测超分子体系的结合能.基于静电势的图像阈值分割方法计算的结合能定性符合实验测定的结合常数和密度泛函理论(DFT)计算的结合能.对于不同分子链和大环分子组成的多种[2]-轮烷体系的对比研究表明,大环与链的结合强度与结合位点的给质子能力、形成氢键的数目、大环的尺寸以及大环与链之间?-?堆积作用相关.     

光驱动分子梭

分子梭在分子开关、分子逻辑门、信息存储等领域有着潜在的应用价值,是超分子化学领域的研究热点之一。本文综述了光驱动分子梭的研究进展：重点举例介绍了荧光光谱识别法和圆二色光谱识别法这两种识别光驱动分子梭位置状态的方法;阐述了构建光驱动轮烷分子梭的新型方法学,包括光驱动环糊精[2]轮烷和[1]轮烷分子梭的定向合成,举例介绍了光间接驱动的轮烷分子梭,以及光驱动[3]轮烷型分子梭和分子梭聚合物;举例说明了光驱动分子梭的功能性应用,用光驱动分子梭来模拟分子水平的逻辑门,研究光驱动分子梭体系中的能量传递机理,以及非溶液态的光驱动分子梭;并对分子梭今后的发展做了展望。     

基于柱[n]芳烃(准)轮烷的研究进展

柱芳烃作为一类新型的大环主体分子,自2008年首次报道以来,引起了人们,特别是化学家的广泛关注.目前,它已在分子识别、(准)轮烷、超分子聚合物、分子弹簧、智能跨膜离子通道、囊泡、金属有机骨架结构等众多研究领域作为重要模块得到初步的应用.主要将以柱芳烃作为主体大环分子来构筑(准)轮烷的研究进展进行简要的综述,同时还介绍了基于柱芳烃的(准)聚轮烷的研究概况,并对未来的发展作了进一步展望.     

分子陀螺的设计、合成与组装

近来,科学家设计和合成了系列分子水平的陀螺。类似于儿童的玩具陀螺仪,这种分子陀螺由一个转子、一个定子框架和连接定子和转子的轴组成。定子框架通过自身的刚性结构为中心转子的转动提供足够的内在自由度,得以对内部的转子实施保护。并使得分子陀螺成为一个理想的分子转子。当转子上有偶极距时,则可能在外来电、磁、光的刺激下进行定向转动,成为分子马达。化学家们通过X射线晶体衍射技术、动态核磁技术、理论计算化学、热力学分析等方法表征了分子陀螺的各种特征,并积极探索其潜在的应用价值。本文着重介绍分子陀螺,以及超分子陀螺仪的发展历史以及研究进展。     

分子逻辑器件研究进展

分子器件具有尺寸小、设计合成可控、存储量大、反应速度快、人工智能等诸多优点,是当今化学、物理和材料等领域研究最为重要的一个交叉领域.综述了近些年来分子逻辑器件领域的研究进展.介绍了各种类型的分子逻辑门、半(加)减法器、分子逻辑线路以及DNA分子和固态分子计算.最后提出了分子器件存在的问题并展望了其应用前景.     

Method for Smoothing the Boundaries of the Van Der Waals Models of Molecules

A geometrical method is suggested for representing a molecule by a smoothed region. The effective volume and surface area are calculated, which results in more adequate proportionality of interactant molecules compared to the classical van der Waals models.     

模板剂在分子筛合成过程中的作用机理

启用分子模拟途径,通过Lennard-Jones势对模板剂分子与分子筛骨架间非成键作用的能学分析,论证n=5、6的双季铵盐［(CH₃)₃N(CH₂)_nN(CH₃)₃］Br₂在ZSM-50分子筛骨架合成过程中所起的模板作用。     

分子力学和分子动力学方法研究不同变质程度烟煤的分子结构

采用分子力学和分子动力学模拟方法 ,研究了不同变质程度烟煤的三维分子构型和能量参数。结果表明 :随变质程度的增加 ,煤分子内平行的芳香片层结构增大。不同变质程度烟煤分子在团聚前后的成键相互作用能仅略有变化 ,其中扭转能Et 的变化相对较为显著 ,并且扭转能随煤阶的增加呈逐渐减小的趋势。非成键作用能 ,特别是超过三个原子的范德华作用能 ,是煤中的重要相互作用能 ,是模型分子团聚的重要驱动力 ,对于烟煤分子聚集状态的形成起着决定性的作用。同时随煤阶的升高 ,超过三个原子的范德华作用能逐渐增加。模型分子的总势能随煤阶的变化呈两头高、中间低的趋势 ,与煤的一些宏观物理性质有一定的相一致性。     

杯芳烃-卟啉化合物的合成及性质

杯芳烃和卟啉通过共价键连结或者分子间作用力聚集形成的杯芳烃-卟啉化合物在分子识别、分子催化、分子自组装等方面有潜在的用途. 本工作综述了杯芳烃-卟啉化合物的合成及性质.     

分子基逻辑材料*

在适当的条件下分子开关将输入的信息转换为输出信号,利用这一特点,可在分子体系根据二进位布尔逻辑规则实现信号转换。目前,用化学体系进行基本的布尔逻辑功能执行 (PASS、YES、NOT、AND、NAND、OR、NOR、XNOR和INH)都已成为可能。在此基础上,逻辑门的整合与编程,以及更进一步的复杂分子运算开始受到人们的关注。迄今为止,以高灵敏性的荧光输出信号为主,人们在分子水平上设计实现了多种复杂的逻辑电路,包括组合逻辑电路和时序逻辑电路等,并开始涉及信息处理的安全平台设计。本文主要介绍了近年来利用分子荧光开关体系模拟数字逻辑电路过程中所取得的最新进展,对分子逻辑电路研究的热点和问题进行了展望。