生活中的分子

那些让我心动的高分子

译自Chem-Station网站日本版 原文链接:嗚呼、美しい高分子の世界

翻译:炸鸡

不久前,我成功合成出一个分子结构十分漂亮的高分子,正在实验室里洋洋得意时,一旁的好朋友的话引发了我的一些思考。

“分子漂亮归漂亮,物理性质你知道多少吗?”

“没有什么突出的物理性质,合出来有什么意义呀”

哎。。。。我很难否定。不仅仅高分子合成,只要从事化学合成的同僚们看到我好朋友这样的评论也很难不心有戚戚焉。一些看起来华美有趣的合成工作却不能与材料学和生物学的应用相结合。从事高分子的同僚们可能会考虑应用问题多一些,毕

竟高分子是起家自工业。研究者的要务是为社会做贡献,空有合成复杂美丽的化合物的研究是没有被评价的价值的。

但是!我却认为分子之美和合成出美丽分子也很重要。美丽的化合物往往能显现出合成时未曾预料的奇妙的应用特性。

基于上述的想法,我写了这篇文章。本篇文章聚焦于‘分子结构之美’,介绍那些令我动心的高分子。在众多候选高分子中,我精挑细选出了七个。如果你们感兴趣请继续读下去吧! (一些没有明确名字的化合物,我擅自取了名字,请见谅)。

1.可爱的平面世界——纳米小人聚合物

图1. 纳米小人聚合物(实际上有三种不同的牵手方式,图片上只展示了一种)

这个分子的合成纯粹是出于要创造出美丽的分子。很多读者都知道“纳米小人分子”吧,“纳米小人”是James Tour教授合成的没有什么用但是外表非常可爱的分子。Tour教授也成功合成出了纳米小人聚合物。

纳米小人聚合物是由下图的“纳米小孩”(NanoKid)和“纳米大人”(NanoAthlete)手牵手连接起来的。

2. 纳米小孩NanoKid(左)和纳米大人NanoAthlete(右)

看到这两个分子,我肯定不是唯一一个脑袋里浮现出那幅孩子们手拉手绕地球一周的画的人吧?

2.优雅的三维世界——Poly(triphenylmethyl methacrylate)

3. Poly(triphenylmethyl methacrylate)

在上一节所讲的纳米小人聚合物的美源自它的平面分子构造式,但聚合物的美丽不仅仅来源于平面分子构造!分子的立体形状也展现出了艺术之美。比如我们熟悉的DNA的双螺旋构造和蛋白质的α螺旋。看似简单确复杂的螺旋结构体现出的是一种生命的优雅。

合成出具有美丽立体结构的高分子——Poly(triphenylmethyl methacrylate)的是日本名古屋大学特聘教授冈本佳男。别看这个分子结构平平无奇,由于三个苯基的阻碍效果,导致整个高分子链呈现出惊人的螺旋样。现在也涌现出了例如聚苯乙炔和聚喹啉这样的合成螺旋高分子,感兴趣的读者可以自行搜索一览螺旋高分子的美。

3.惊艳的共轭聚合物世界——碳硼烷聚合物

图4. 碳硼烷聚合物

共轭分子的艺术性会更浓厚一点吧。我身边很多理科专业的同学都感慨过苯环分子是多么美丽啊

共轭系统是贯穿整个高分子链的,共轭聚合物广泛应用于电子材料和发光材料,是高分子家族的一个大分支。在共轭聚合物分支中我认为最美的是京都大学中条善树教授合成出的含有碳硼烷的聚合物。主链中含有硼簇和碳硼烷,因为其超强的芳香性,即使主链发生弯曲聚合物的共轭体系也不会被破坏。这就能解释为什么碳硼烷能形成聚合物。

而且碳硼烷高分子还有聚集诱导发光AIE(Aggregation Induced Emission)的特性,即在固体状态下也能够发光。不论是宏观视角还是微观视角,都是很美丽的分子。

4.精搭细建的小天地——海葵毒素

5. 岩沙海葵毒素

这明明不是聚合物啊!看到这里的读者们请稍安勿躁,岩沙海葵毒素是一种分子量高达2680.17的巨型分子。(它没有重复单元所以不算严格符合IUPAC规定的高分子的标准)所以,岩沙海葵毒素是纯纯靠庞大的体积被我选中!

岩沙海葵毒素是最大的无重复单元的天然分子之一,于1994年由哈佛大学的名誉教授岸义人实现了全合成。合成具有多达64个手性中心的精密化合物现今靠高分子合成还无法达到,还要依靠有机合成。

高分子的精密合成(控制分子量/控制单体序列/控制立体规整性)已然是高分子学界一门独有的学问。或许在数十年后,高分子合成技术可以发达到用连锁高分子反应就能合成这么复杂的化合物。

5.震撼的有机杂交高分子——聚梯形烷

6. 梯形烷

由多个环丁烷连续串联而成的梯形烷因其有趣的构造和极高的合成难度屡次在化学空间网站上被提及。光合成一个单元就已经困难重重了,当这样一个高分子摆在你面前,你怎么能不为之疯狂呢!由一个个美丽的单元构成了一个美丽的高分子。相信很多读者都在《Science》封面上一睹过它的风采吧。

这个高分子的合成是由斯坦福大学的Noah Burns助教和Yan Xia助教通力合作的。当我看到这篇合成论文的时候我都震惊了心想这工作也太难了,但一看作者分别是低分子合成和高分子合成领域的新星,心里对这么复杂的分子能被合成出来也就不足为奇了。

图7. 聚梯形烷的开裂。超声振动的时间越长,聚乙炔片段越多。(来自:[3]

此外,超声波振动会裂解聚合物的中心部分,将其转化为含有聚乙炔的三嵌体聚合物(含有聚乙炔单元的共聚物通常难以合成)。 一个美丽的高分子就这样被拆解了……

超声波裂解聚梯形烷揭示了拥有精妙单体设计的高分子的独一无二的特征。读到这里有没有读者动起了从事合成单体的工作的念头呢?

6.炫酷的超分子高分子世界——ABC循环排列的高分子

图8. ABC循环排列的高分子

名字里有“超分子”这三个字就听起来非常酷。图8展示的高分子是由Biscalix[5]arene-C60
、Bisporphyrin-TNF 、Hamilton’s hydrogen-bonding三种超分子键将序列规律的单体连接而成的三元共聚物。该高分子是由广岛大学的灰野教授合成出来的。它不光名字听起来厉害,构造也很厉害,如果你要问为什么合成这个高分子,说实话我不知道,这个高分子是单纯靠它高颜值的结构和有趣的合成过程抓住了我的心。

聚合基本是瞬间发生的,所以精密控制单体的排列顺序非常困难。在合成这个超分子高分子时,利用三种不同的超分子键来巧妙决定了单体的排列顺序,这个做法虽然简单却干净利落。现今超分子高分子已经是高分子化学的一大分支。今后,随着精确搭建高分子的立体构造的需求越来越频繁,超分子知识有望能在高分子精密合成中做出更重要的贡献。

7.气场两米的高分子拓扑世界——聚合[n]索烃

9. 聚合[n]索烃(出自[5]

我最爱的就是这个高分子了——索烃排列而成的聚合[n]索烃!拥有2种环状分子呈锁链状的排列,这个高分子的构造无不透露出一股压轴出场的大明星才有的气势。该高分子被芝加哥大学的Stuart J. Rowan教授合成出来。聚合[n]索烃呈现出没有架桥的线形结构,最大聚合度为27,虽然这个数字看上去很小,但要知道一个小圈样的分子的重均分子量足足有1500〜1700。

高分子拓扑化学领域,即把聚合物看作是可以做成各种形状(今天介绍的这个是链状)的单一细绳,近年来发展势头十分猛烈。

在高分子拓扑化学下的高分子宛如手中翻的花绳,将来会不会相继出现扫帚形状乃至铁塔形状的高分子呢?想到这里我就兴奋不已。

结束语

以上就是今天介绍的7位高颜值的高分子。大家看完后有没有和我一样感到惊奇和开心呢?读者最喜欢哪一个高分子呢?请在评论区告诉我。今天只选出了7个高分子介绍,其实还有很多很多高颜值的高分子。高分子合成是个新兴学科,尚没有许多条条框框的限制。这些美丽的高分子不会是高分子合成的巅峰,只是开始,未来还会有更多精密结构的高分子被创造出来。读者如果知道还有哪些高颜值的高分子请在下方评论区告诉我。

参考文献

  • Tour, J. M.; Chanteau, S. H.  Org. Chem2003, 68, 8750-8766. DOI:10.1021/jo0349227
  • Chujo, Y.; Kokado, K. 2009, 42, 1418-1420. DOI:10.1021/ma8027358
  • Chen, Z.; Mercer, J. A. M.; Zhu, X.; Romaniuk, J. A. H.; Pfattner, R.; Cegelski, L.; Martinez, T. D.; Burns, N. Z.; Xia, Y. Science 2017357, 475. DOI: 1126/science.aan2797
  • Hirao, T.;  Kudo, H.; Amimoto, T.; Haino, T. Nature Commun. 20178, 634.DOI: 1038/s41467-017-00683-5
  • Wu, Q.; Rauscher, P. M.; Lang, X.; Wojtecki, R.J.; Pablo, J. J.; Hore, M. J. A.; Rowan, S. J. Science 2017358, 1434–1439 DOI: 1126/science.aap7675

封面图片来自https://www.freepik.com/premium-photo/network-molecules-atoms-glass-crystals_8823819.htm#page=4&query=molecule&position=7&from_view=search

本文版权属于 Chem-Station化学空间, 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载

Related post

  1. 万珂 (bortezomib)
  2. Pillararene 柱芳烃
  3. 春日霉素 (kasugamycin)
  4. 眼药水中的它不仅是毒药还能“以毒攻毒”成为解药?
  5. Asparaptine
  6. 非核糖体多肽 Non-Ribosomal Peptide
  7. 生活中的分子——奥美拉唑(Omeprazole)
  8. 全氟萘烷 (perfluorodecalin)

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

广告专区

PAGE TOP