籠狀化合物

籠狀化合物(cage compound)是指具有三維結構，且為中空、籠狀大分子的統稱。 籠狀化合物因其獨特的結構，一直是化學、物理、醫學以及材料科學等諸多領域共同的研究熱點。它極大豐富和提高了科學理論，同時顯示出巨大的潛在套用前景。

基本介紹

• 中文名：籠狀化合物
• 外文名：cage compound
• 分類：化學

簡介

含義

包合物按照其主體內部空間的形狀可以分為兩類。一類主體分子內的空間是長的管道或隧道形狀的包合物，另一類主體分子內的空間是完全閉合的，被形象地稱為籠形化合物或籠狀化合物。例如，三分子氫醌通過氫鍵相互結合在一起，形成閉合的籠狀結構。其空間大小剛可容納一分子甲醇，將其包合在內，此時稱前者為主體，後者為客體。

套用展望

具有包合作用的環糊精已為大家所熟知，並已有較多的報導和研究。但對籠狀化合物的研究剛起步，在紡織印染方面的套用和研究也鮮有報導 。僅有謝孔良等研究將籠狀結構化合物引入到帶氟碳鏈段的聚合物複合材料中，用於織物的防沾色處理 。這類帶籠狀結構的聚合物可以捕捉陰離子染料分子，形成穩定的絡合物。

常見的籠狀化合物

籠狀磷酸酯類化合物

1960年，Verkade等第一次合成了具有新穎結構的季戊四醇雙環籠狀磷酸酯(PEPA)。由於其分子具有高度對稱的籠狀結構而引起了人們極大的興趣 。20世紀80年代初，Halpern等首先將這類籠狀磷酸酯用於聚烯烴的阻燃。此後，這類化合物作為一種新型的膨脹型阻燃劑在阻燃材料中的套用和研究得到了廣泛的重視。

籠狀磷酸酯類化合物以其獨特的籠狀結構和優異的熱穩定性成為膨脹型阻燃劑(IFR)中的佼佼者。 膨脹型阻燃體系一般由碳源、酸源及氣源組成：碳源一般是含碳豐富的多官能團化合物；酸源是在加熱條件下能釋放無機酸的化合物，其主要作用是促進多羥基化合物脫水炭化；氣源是受熱分解放出大量無毒並能滅火的氣體， 同時發生膨脹並形成海綿狀細泡結構的化合物。 商品化的膨脹型阻燃劑大多是混合型膨脹型阻燃劑。它是由個別的碳源、酸源及氣源組成的混合。三組分的比例不易控制，而且具有易吸潮、熱穩定性差、 添加量大、與聚合物難相容。以及相態分布不均勻等缺點 但在籠狀磷酸酯化合物中。磷原子、碳原子及氮子等集中於同一個籠狀的分子結構中，其熱穩定性良好。籠狀磷酸酯類化合物作為阻燃整理劑僅限於塑膠等高分子材料，而且僅有少數的籠狀磷酸酯類化合物阻燃劑在市場上。

的新型雙環籠 狀磷酸酯

籠狀碳

1970年，日本科學家小澤預言，碳元素可能會有除人們熟知的六方晶系(如石墨)和立方晶系(如金剛石)之外的第3種同素異形體。1985年，美國Rice大學的Kroto HW、Sma11evRE和CurtRFJr合成出了以C₆₀為代表的全新的籠狀碳。C₆₀ 分子是具有類似拱形建築的封閉籠狀結構。該結構被稱為富勒烯。富勒烯可以看作是一個截去頂角的正二十面體。因為酷似足球，所以又稱為足球烯 其內腔中可容納一些原子、離子或團簇分子。之後又相繼發現了C₄₄、C₅₀、C₇₆、C₈₀、C₈₄、C₉₀、C₉₄等純碳組成的分子，它們均屬於富勒烯類。金屬富勒烯包合物既具有金屬原子的性質，又具有富勒烯的性質。這賦予了其特殊的物理和化學性質，如超導、磁性、光學、催化性等。

足球烯

富勒烯具有分子篩的性能，由此可開發出籠狀烯分子的一系列用途。如依據它對氣體的選擇性吸收，可用來淨化空氣。或利用它對離子的吸附能力，可套用於紡織印染廢水的處理以及套用於織物的各種緩釋性功能整理等。 美國已經有“有選擇的分子篩富勒烯”的專利。

瓜環

瓜環是繼籠狀磷酸酯和富勒烯之後備受矚目的另一類新型籠狀化合物。瓜環是一類具有大環空腔、兩端開口的籠狀化合物。因其貌似南瓜而得名 通常簡寫成CB[n]，其中CB代表瓜環，n代表瓜環中苷脲的個數。例如，CB[6]是由6個苷脲聚合而成，簡稱六元瓜環。瓜環是由多個苷脲單體構成的籠狀化合物。這種籠狀結構具有疏水性，可以容納各種分子的疏水性部分或有機分子。 瓜環的兩端分別分布著與構成瓜環單體數相同的羰基氧原子， 同時籠壁上還有4倍於單元結構數目的氮原子。羰基氧原子具有親水性，可以與金屬離子等官能團發生相互作用。不同聚合度的瓜環內腹空腔以及連線埠口徑是不同的，可以與大小不同的分子和離子相互作用形成高選擇性和穩定性的配合物，從而在超分子化學中有著極其重要的作用。

瓜環不僅能容納尺度合適的分子或離子，還可通過配位鍵、氫鍵等不同形式的相互作用與其他分子或離子等質點結合 。可以預測，瓜環的這些性質，使其在治理環境污染，特別是水體的重金屬污染、有機毒物污染和大氣污染的淨化方面，以及藥物緩釋、痕量元素的鑑別和檢測等領域都會有更突出的表現。

瓜環