原标题:微观世界的“结绳记事”:分子结周期表有利于合成新型分子拓扑结构

C&EN评出了年度最酷的七大分子,一同来走访啊!

试想有后生可畏都部队分短绳子,把它胡乱揉成一团并努力摇动(假若末端能够互为无缝过渡),你能猜出它最容易造成什么的绳结啊?假若把这几个短绳替换到微观世界的分子链,那又会怎样啊?那正是合成化学领域的研讨者极其感兴趣的课题——分子结(molecular
knots)

1黄金年代朵新开的“向阳花”

成员结是后生可畏种恍若绳结的教条互锁分子结构,类脂和 DNA
是最广泛的三种自然生成的分子结。分子结不仅能予以大分子一定的弹性,又因为它超级小的飞米尺度,成为飞米技术中格外常有潜在的能量的大器晚成类“积木”。借使能够像堆乐高积木相像人工设计及达成分子结的拓扑构造,那么在开垦新质地、构造分子器件、分子机器等世界将会有大幅地使用前途。

美高梅国际平台 1

美高梅国际平台 2

过硫化六苯并苯(persulfurated
coronene)因为它与阳光花雷同而被喻为“朝阳花”分子。二零一四年风姿浪漫朵那样的“向日葵”开放了。这是首先个精光硫代替的多环三十烷(
fully sulfur-substituted polycyclic aromatic
hydrocarbon),是环状杂环碳硫化学物理 (circular heterocyclic carbon sulfide
compounds) 体系中的第三个分子。德意志联邦共和国德累斯顿科技(science and technology)大学(Dresden University
of Technology)的冯新亮教师和马克斯普朗克高分子研商所(马克斯 Planck
Institute for Polymer Research)的Klaus
Müllen学士教导的协相会成了那朵“太阳花”(J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI:
10.1021/jacs.6b12630)。物军事学家们盼望能够合成越多这类化合物,当中囊括最简易的过硫化苯。它们能够在电瓶阴极和任何电子质地中央银行使。

图 | 还应该有啥未知的积极分子结?(来源:马特ia
Marenda & Cristian Micheletti)

2生龙活虎颗分子新星的诞生

近年来,来自意国国际高档斟酌院(SISSA)和帕多瓦大学(University
of
Padua)的探讨人士,通过计算模拟消亡了那风度翩翩极具挑战性的课题,商讨结果刊登于《自然·通信》(Nature
Communications)上。商讨者利用蒙特Carlo抽样法和分子重力学模拟法,分明了三个最大概产生的成员结的花名册,那就象是于豆蔻梢头种有关分子结的“成分周期表”那些成员结是在适用的物理化学条件下,最只怕、最轻易自己创设建变成的拓扑结构。还要,这个由总括模拟所预测的积极分子结构型,获得了流行实验结果的证实和支持。

美高梅国际平台 3

前程,那张“分子结周期表”将有利于合成其余未有开掘的积极分子拓扑结构,加上反复发展的成员模拟手艺所提供的张望技巧,在营造精密分子机器以装载和投递飞米粒子等领域有不小的接纳前途

Credit: Chem.–Eur. J.

未有生龙活虎项简单的灵性挑衅

地国学家二〇一六年合成了这一五角星形的钯配位络合物(palladium coordinating
complex)。它的独性子不但在于它有三个由等腰梯形环绕着五边形的极度规造型,并且它是第贰个包蕴三种不一致非螯合配体的五核自己构建装多室分子。印度理理高校马德Russ分校(印度n
Institute of Technology Madras)的Kumar
Chand博士和他的同事认为她们合成的积极分子将慰勉大家合成像细胞相似的笼状分子,它们得以选拔于生物法学领域(Chem.–Eur.
J. 2017, DOI: 10.1002/chem.201702264)。

随想的率先小编和简报笔者 马特ia Marenda
和 Cristian Micheletti
表示:“地医学家们对复杂分子拓扑结构的兴味日益浓郁,因而,设计并合成新型分子结的主见就特意有吸重力。”

3降梅花脑烷基础上营造更目眩神摇的分子

而是人工合成分子结有异常的大的挑衅性,不仅仅要考虑好多复杂的物理-化学机制的平衡,更关键的是要选对目的拓扑结构

美高梅国际平台 4

在几何中,扭结是指空间维度空间中不与自家相交的密封曲线,纵然地历史学家称有
60
亿种已知的骨干扭结形态,但直至多年前,合成化学家也只是“打出”了二种分子结:三叶结(trefoil
knot),8 字结(figure-eight knot)和五叶结(pentafoil
knot)。这两种是最简便易行的成员结,分别有 3、4、5 个黑影交叉。

美高梅国际平台 5

美高梅国际平台 6

现年两支探究团队分别成功了很具挑衅性的全新桥连多环烃(bridged polycyclic
hydrocarbons)
的合成,它们是降冰片脑烷的衍生物,而降片脑烷自个儿正是很复杂的分子。瑞士联邦奥马哈大学的马塞尔Mayor研究生指点的团协会晤成了trinorbornane。二个由五个降梅花冰片烷分子分享后生可畏对周围的界线而形成的相得益彰的C11H16成员。那项商量扩大了一心人工合成自然产物的技巧(Chem.
Commun. 2017, DOI: 10.1039/c7cc06273g)。德国明斯特高校(University of
Munster)的Volodymyr Kozel 和 Günter Haufe大学生指点的团伙合成了
nortricyclene triol, 近日极小的来得出三重对称性的手性多环纯净物(Angew.
Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201709279)。

图|
三种轻松的合成分子结。从左至右依次为三叶结、8 字结、五叶结和双 8
字结。(来源:马特ia Marenda & Cristian Micheletti)

4编写制定分子结

在此时总的来讲,下二个将要被达成的拓扑结构应当是
8 字结
(three-twist
knot),因为它正高居绳结复杂性阶梯的下风流倜傥阶。不过,在 二零一四年的黄金年代项计算研商中,Micheletti
及其合伙人预测接下去最简易何况最或然设计出的茫然分子结要复杂的多,而且有多达
8 个须求的阴影交叉。那项预测在 2017 年赢得了圣Diego高校 大卫 A.
Leigh
团队在《科学》杂志登载的试验结果的辨证,他们得逞在成员尺度上打出了有 8
个交叉的郁结,那是已知最复杂、最深厚的成员结,称为 819
结。这一个结果让合成科学家特别相信,在具有那一个大概的拓扑结构中,实在存在一些更便于形成的“特权分子”,进而推进了今天那项钻探的开展。

美高梅国际平台 7

美高梅国际平台 8

Credit: Robert W. McGregor


| 2017 年 David A. Leigh 团队合成的 8
个交叉的纠缠(来源:Science)

United Kingdom拉合尔大学(University of Manchester)的大卫 A.
Leigh博士和她的同事们将三股螺旋分子编织在一同产生贰个分子结。Leigh博士的集体先接受铁原子教导联吡啶基配体(bipyridine-based
ligands)组装称为鞭状结构,然后使用复分解化学将几股配体末端的加氢苯连接起来。讨论人口企盼能够合成更头眼昏花的编写制定结构,乃至能够编织聚合物(Science
2017, DOI: 10.1126/science.aal1619)。

时下,合成地教育学家已经打响应用分子自创立技艺,合成了多达
6 中差异体系的积极分子结(molecular
knots)。可是,前途毕竟仍为能够贯彻多少种区别品种的分子结啊?

5杂环系统中缺点和失误的风度翩翩环

快快可靠的乘除模拟,营造合成化学的“分子结周期表”

美高梅国际平台 9

美高梅国际平台 10

物艺术学家们相当多年来直接在将硼、碳、氮、氧成分以分化格局组成在同步产生各种三种的六元杂环系统(six-membered
heterocyclic ring
systems)。在那之中八个指标是营造二个包罗缺电子硼原子(electron-deficient
boron
atoms)的多环川白芷族化合物。这种化合物在创设光电设备时很有用。但是将氮原子和氧原子同期与硼原子融合到杂环结构上是一个严刻搦战。日本原生生物化学钻探所(Institute
of Microbial Chemistry)的Masakatsu Shibasaki 和Naoya Kumagai
博士合成了dioxaazatriborinane
,它是环硼氮烷和环硼氧烷之间缺点和失误的大器晚成环。研讨人口发现dioxaazatriborinane能够当作酰胺化反应的有机催化剂,其效用显着强于今后的硼基有机催化剂(Nat.
Chem. 2017, DOI: 10.1038/nchem.2708)。

图 | 分子引力学模拟过程。(来源:马特ia
Marenda & Cristian Micheletti)

6最大最复杂的多糖

留意大利共和国公司的钻研中,他们利用蒙特Carlo取样(Monte
Carlo山姆pling)和成员引力学模拟
格局,筛选了三个由预先分配的恢宏模板构成的拓扑结组合空间,并从后验的角度,器重对待那几个负有在实际上分子结中发觉的标识性几何特点的拓扑结构,如准平面性和周期对称性。利用这种计算模拟方法,创设了多少个更易出现的“特权分子结”名单。

美高梅国际平台 11

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

相关文章