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機械互鎖分子是由分子組件之間通過空間糾纏而形成的一類具有機械鍵的分子。自上世紀60年代開始興起,經過研究者們多年的發展,已經逐漸形成了以索烴、輪烷以及分子結為主的機械互鎖分子家族體系。在過去很長一段時間,機械互鎖分子的合成一直是該領域的主要挑戰之一,直到1983年法國化學家讓-皮埃爾·索維奇發現了金屬離子“模板”合成機械互鎖分子的策略,為機械互鎖分子的合成開啟了全新的思路,顯著地提高了合成產率。讓-皮埃爾·索維奇教授也因此項發現,與荷蘭化學家伯納德·費林加、美國化學家弗雷澤·斯托達特共同分享了2016年度諾貝爾化學獎。然而即便用“模板”法,機械互鎖分子的合成效率仍然相對較低,特別是對機械互鎖分子型構建模塊日益增長的需求,發展高效的機械互鎖分子的合成策略具有十分重要的意義。近些年來,研究者們運用動態共價化學合成機械互鎖分子的策略逐漸興起。動態共價化學通過可逆的化學鍵,使各組分分子模塊經過“自我糾錯”過程,最終形成熱力學能量最低的分子結構。通過這一策略來合成機械互鎖分子,也被看成是運用 “金發女孩”原則來進行最優化的化學合成。
近日,瑞典皇家理工學院Schaufelberger課題組總結了近年來,通過動態共價化學策略來合成以及調控機械互鎖型分子系統的研究工作。文章主要分為四個章節來總結這些研究工作,第一章節為運用動態共價化學進行分子的環化,分別詳細總結了動態亞胺鍵、二硫鍵以及簡要介紹了其他動態共價鍵(如烯或炔鍵的復分解等)來進行環化反應形成互鎖型分子;第二章節運用動態共價化學進行“封堵”反應,分別詳細總結了通過動態封堵反應形成輪烷型機械互鎖分子以及宏觀的多維編織網絡材料;第三章總結了運用動態共價分子模塊作為“模板”位點合成機械互鎖分子;最后一章則總結了動態共價化學來調控機械互鎖分子的構像結構。 通過全文的總結,作者知道通過動態共價化學不僅可以基于外部“模板”,而且也可以通過內源性驅動力(如溶劑化作用等)來進行機械互鎖分子的合成。當然,通過動態共價化學合成的機械互鎖分子也存在自身不足,這便是源于動態共價鍵的不穩定屬性,使得所合成的機械互鎖分子結構只有在特定外部環境下才能夠保持其結構的完整性。因此,為了滿足機械互鎖分子能夠在不同領域、不同環境中的應用,構建多樣化的動態共價化學模塊(如動態硼-氧鍵等)將成為未來該領域發展的另一挑戰。 論文信息 Dynamic Covalent Chemistry for Synthesis and Co-conformational Control of Mechanically Interlocked Molecules Dr. Jingjing Yu, Dr. Marius Gaedke, Dr. Fredrik Schaufelberger 文章共同第一作者為瑞典皇家理工學院的博士后余晶晶和Marius Gaedke。通訊作者為瑞典皇家理學院的Fredrik Schaufelberger博士。 European Journal of Organic Chemistry

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