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通过分子自组装实现纳米聚环丁烷的合成

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-17 】 点击次数:
由千叶大学教授八木志生(Shiki Yagai)领导的国际研究小组首次开发了自组装的聚catenanes,该结构由机械互锁的小分子环组成。该研究小组还成功地通过原子力显微镜(AFM)观察了聚catenanes的几何结构。这项发表在《自然》杂志上的工作是第一个无需使用其他分子模板即可通过分子自组装合成纳米聚catenanes的方法。千叶大学应用化学和生物技术教授Yagai认为,这是创建纳米级拓扑结构的技术创新的重要一步。
聚[22]邻烷的原子力显微镜(AFM)图像,这是研究小组(上)和五个与奥林匹克运动会符号相似的线性排列的互锁环(下)产生的最长的聚环(来源:Shiki Yagai
连环烷的合成已被广泛研究,尤其是自让-皮埃尔·索瓦奇(Jean-Pierre Sauvage)设计出金属模板的策略来合成连环烷以来。为了表彰他们的开创性工作,Sauvage和其他两名研究人员在2016年因分子机器的设计和合成而获得了诺贝尔化学奖。由于链烯中的分子链接在一起形成链,因此链接之间可以相对移动。这使得结构的合成和表征非常困难,尤其是当这些环没有通过强共价键结合在一起时。
 
通过使用模板化策略修改自组装协议,日本,意大利,瑞士和英国的研究小组能够创建包括复杂结构的聚catenanes,该复杂结构由五个互锁的环组成,呈线性排列,类似于奥林匹克运动会的标志,足够大,可以通过原子力显微镜观察。在寻找纯化纳米环的方法时,研究小组发现将环添加到热单体溶液中可促进在环表面上形成新的组件,这一过程称为二次成核。基于这一发现,研究小组研究了二次成核的最佳条件,并成功创建了由多达22个连接环组成的聚[22]环戊烷。通过观察该聚[22]烷原子力显微镜检查,证实了该结构的长度可达500 nm。
 
Yagai教授说:“这项研究的创新发现在于利用了分子的自组装特性。” “我们能够在不使用复杂的合成方法的情况下以中尺度创建复杂的几何结构。这为以类似规模创建更复杂的几何化合物(例如轮烷和三叶结)铺平了道路。对光和电起反应的分子,这一发现有可能应用于有机电子和光子学以及其他分子机器。”

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