机械互锁结构分子
机械互锁结构分子（英语：Mechanically interlocked molecular architectures，MIMAs）是一个超分子化学重要概念[2]，在拓扑学领域颇有意义[3]。机械互锁结构分子由许多环状分子嵌套而成，这些环状分子之间的连接并非传统的共价键，称为机械键（mechanical bond）[4]。是出现在轮烷及索烃等机械互锁分子结构的化学键。有别于一般的有机物，这类分子属于一种新型拓扑结构分子[2][4]，互锁的两个化学结构之间没有共价键的键结，是两个独立的结构，但因为其几何结构的关系，让两个分子需维持一定的距离或是特定几何关系，只有破坏其中一个结构的共价键才能 破坏互锁分子之间的机械键。在纳米技术、有机合成等领域，这种分子都有极大用武之地，它是制造分子机器的基础[3]，例如其制造出的分子马达能够模仿生物体的一些功能[4]。
定义
机械互锁结构分子指一类结构独特的超分子，其多个组分之间由机械键而非共价键相连[4][3]。只有某个组分内部的共价键断裂时，整个结构才会解体[3]。
分类
准轮烷与轮烷
准轮烷不属于机械互锁结构分子，它指的是一类络合物，其中线状分子作为客体穿过主体，其间通过分子间作用力连接[2]。准轮烷是合成多种机械互锁结构分子的前体，故其稳定程度会影响此合成的产率[2]。
轮烷的结构如左图所示，其中一个环状分子作为“轮”，一个线状分子作为“轴”，后者两个端基体积大于前者内径，从而两者无法脱离[2][3]。
索烃
分子结
Borromean链环分子
合成
模版合成法是合成机械互锁结构分子最有效的方法之一[2][3]。其中金属配位键则是一种常用的模版作用[3]。
1981年，Ogino最先合成出了含金属配位键的轮烷[3]，其具体方法是将氯化二氯二乙二胺合钴(III)与穿过α-环糊精的二胺分子配位，最终产率为19%，在当时属于极高的产率。[5]
应用
机械互锁结构分子有外加能量（如化学能、电能、光能等）时可以在两种状态之间转换（分别代表二进制下的0与1），这一特性可用于制造分子机器[6]。
参见
参考文献
- ^ Peter R. Ashton, Christopher L. Brown, Ewan J. T. Chrystal, Timothy T. Goodnow, Angel E. Kaifer, Keith P. Parry, Douglas Philp, Alexandra M. Z. Slawin, Neil Spencer, J. Fraser Stoddart and David J. Williams Chemical Communications, 1991, 634 - 639.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 周其忠; 何春林; 翟春熙; 黄飞鹤. 机械互锁结构分子的模板合成. 化学通报. 2008, 71 (11): 809–815.
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 叶杨; 林喆萍; 金雯露; 王淑萍; 吴静; 李世军. 金属配位与主客体识别协同组装构筑机械互锁结构. 化学进展. 2015, 27 (6): 763–774 [2017-03-02]. doi:10.7536/PC150228.[永久失效链接]
- ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 王小龙. 科学家合成三个分子组成的互锁分子. 科技日报. 2014-04-17 [2017-02-24].[失效链接]
- ^ Hiroshi Ogino. Relatively High-Yield Syntheses of Rotaxanes. Syntheses and Properties of Compounds Consisting of Cyclodextrins Threaded by α,ω-Diaminoalkanes Coordinated to Cobalt(III) Complexes. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103 (5): 1303–1304 [2017-03-03]. doi:10.1021/ja00395a091.
- ^ Vincenzo Balzani; Marcos Gómez-López; J. Fraser Stoddart. Molecular Machines. Acc. Chem. Res. 1998, 31 (7): 405–414 [2017-03-03]. doi:10.1021/ar970340y.