索烴

索烴（Rused ring）， 索烴來源於拉丁語Catena（鏈），意思是由聯索環組成的分子。索烴含有多個微小而互扣的原子環，但每個環之間不被任何價鍵力連線。

基本介紹

• 中文名：索烴
• 外文名：Rused ring
• 釋義：由聯索環組成的分子
• 獲得方式：統計方法合成或直接合成
• 屬性：機械互鎖分子
• 套用：氧化還原識別基團

簡介

概述

索烴可用統計方法合成或直接合成。兩個或兩個以上的環，像在鏈條上的環一樣連線在一起。但每個環之間不被任何價鍵力連線。最簡單的例子是[2]-索烴。索烴可用統計方法合成或直接合成。該類化合物的合成在有機合成史上具理論意義。例如三十四碳二羧酸乙酯先縮合生成環，然後用濃鹽酸和鋅汞齊還原(用在D₂O中的DCl)得含五個重氫的三十四碳環烷。然後以二甲苯和這一環烷為溶劑(1:1)，再重複上述反應，有些酯分子在關環前要穿過這個環。反應產率很低，依賴於二酯分子在關環前穿過三十四碳環的機率。

在二十世紀六十年代初，Frisch等人首次將立體化學和拓撲學關聯在一起，並命名為化學拓撲學。拓撲學異構體的一個重要實例就是索烴(Catenane)。人們在研究DNA在促旋酶作用下拓撲形狀變化過程中發現了DNA索烴。由於合成和分析手段的進步，人們得以以較高的產率合成此類化合物。

[2]-索烴

命名

在索烴的命名法中，在“索烴”前面會用一個帶方括弧的數字註明環的個數。合成和分離的含最多環的索烴有七個環，所以是[7]索烴。

化學性質

索烴是一個機械互鎖分子，包含有兩個或兩個以上互鎖的大環分子。除非環分子內部的共價鍵斷裂，否則互鎖的環不能夠分開。索烴的英文名（Catenane）源自拉丁文的Catena，意思是“鏈”。索烴和其他機械互鎖分子有著概念上的聯繫，例如：輪烷、分子扭結和分子博洛米尼結。人們用機械鍵這樣一個新的術語來描述索烴環之間的連線。

合成

合成索烴主要有兩種方法。第一種方法是簡單的關環反應，希望分子在環關閉的時候位於恰好的位置，形成索烴。這種方法也被稱作“統計法”，第一個索烴在合成時即採用此法，利用了二元酸酯的酮醇縮合反應。此法的最大缺陷在於產率太低，因此很少被採用。

第二種方法依靠前體大環分子的超分子預組裝，比如利用氫鍵、金屬配位、疏水作用或庫侖作用等。這些非共價作用抵消了部分結合熵並且使反應的分子處於適當的構型。這也被稱為“模板導向法”，如果再採取高壓，能夠得到超過90%的產率，這才使得索烴能夠被廣泛的套用。使用此方法的一個例子是用bis-二吡啶鹽與冠醚二（對亞苯基）-34-冠-10形成穩定的配合物。

相關資料

套用

對於索烴來說，最有趣的性質莫過於裡面的環可以互相轉動。這些動作可以通過核磁共振波譜法等方法來探測。如果可以在分子內運動，那么該索烴內的環必然有一個或多個熱力學穩定位置。如果其中一個位置是可以由外界控制的話，就形成了一個分子開關。對於一個通過大環金屬配位生成的索烴來說，移除和再加入金屬離子就可以控制環是否能夠自由的移動。

合成的索烴常常包含有很多其他的官能團，例如氧化還原識別基團（例如：紫精和四硫富瓦烯）、光敏異構化基團（例如：偶氮苯）、螢光基團和手性基團。引入這些基團的作用包括控制分子的開關、製作分子電子設備以及分子感測器等。

諾貝爾化學獎獲得者索瓦日成功合成了一種名為“索烴”的兩個互扣的環狀分子，而且這兩個分子能夠相對移動；索瓦日和其他兩名科學家弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加，索烴和其他步驟共同研製出分子機器，獲得了2016年的諾貝爾化學獎。分子機器具體設計步驟如下：

第一步，索瓦日成功合成了一種名為“索烴”的兩個互扣的環狀分子，而且這兩個分子能夠相對移動；

第二步，斯托達特合成了“輪烷”，即將一個環狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環狀分子能圍繞這個軸上下移動，並成功實現了可以上升高度達0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”；

第三步，費林加設計出了在構造上能向一個特定方向旋轉的分子馬達，這個馬達可以讓一個28微米長、比馬達本身大1萬倍的玻璃缸旋轉起來。

奧林匹克烷

奧林匹克烷（olympiadane）的成功合成可以說是把π供體/π受體模板作用自組裝形成索烴的方法發展到了極致，且已被證明具有非常好的通用性。他們為了能有更好的供體作用，便將更富電子的1,5‐二氧基萘基替代了冠醚中的苯環結構，在兩次供體/受體模板作用下自組裝得到了產率為5%的索烴結構。因為索烴結構類似於國際奧林匹克運動會的五環標誌，從而被命名為“奧林匹克烷（olympiadane）”。

奧林匹克烷