诺奖得主126年前的预言，被实现了 | 2019年度分子公布
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美国化学会旗下的 C&EN 杂志每年都会在新合成的化学分子中评选出一批“年度分子”，今年也不例外。其中不仅包括一个“特别的”纳米笼、由 18 个碳原子组成的“纯碳环”、一口气联结了 12 个苯环的“扭曲”大分子等等，还有一个 126 年前就得到诺贝尔化学奖得主 Alfred Werner 预言的“新人”......
来源 C&EN
编译 公众号“原理”
化学家一直在突破极限。他们用各种技术手段不断合成新的分子，探索各种分子结构及其性质。一些新分子可以带来直接的应用，而另外一些则揭示了独特的性质。
2019 年，美国化学会旗下的 C&EN 像往年一样，邀请读者投票，从今年新合成的分子中评选出“年度分子”，反芳香性纳米笼以最高票数当选。除此之外，其余 6 个分子也各有特色：
关键词：纳米空间、反芳香性
今年，一组国际科学家构建了一个非比寻常的纳米笼，它的笼壁由反芳香族分子构成。到目前为止，一些研究已经利用芳香族分子构成了纳米笼，但由反芳香族分子构成笼壁尚属首次，因为反芳香族分子通常被认为不够稳定。
纳米笼是一种空心的纳米结构，它常常表现出实心材料不具备的独特性能，因此受到广泛关注。在这项研究中，科学家将一系列客体分子包封在笼内，进一步测试了这个纳米空间内的独特环境。这项研究拓展了纳米化学工程边界，创造了一种全新的纳米空间，可供科学家继续探索。[2] [3]
○ 图片来源：IBM Research
关键词：环状排列、碳的同素异形体
这是一种全新的碳的同素异形体，同时也是十分罕见的一种。它由 18 个碳原子环状排列形成，被称为环[18]碳。
碳能以许多不同的形式出现，比如我们熟知的金刚石、石墨、碳纳米管和各种形状的富勒烯等都是碳的同素异形体，每种都有各自独特的性质。然而还有一些不太为人所知的形式，环碳就是其中之一。
环碳中的碳原子只有两个相邻原子。通常它们具有很高的反应性，因此很难被分离及研究。对环碳的结构有两种猜测，一种认为环中所有键的长度都相同（只存在双键），另一种认为环中存在长短交替的键（也就是单键和三键交替）。在这项研究中，科学家通过原子操纵技术成功构建出环状碳，揭示了环碳有着单键和三键交替的结构。新研究使用的这项技术在未来或许能够让我们构建更复杂的环碳或环状氧化碳。[4] [5]
○ 图片来源：University of Southampton
关键词：巴基球、甲烷
今年，研究人员成功地将甲烷分子（CH₄）放入一个巴基球分子（C₆₀）笼中，形成 CH₄@C₆₀。
巴基球是由60个碳原子组成的分子笼，它特有的结构可被用于观察被放入其中的分子在一个孤立环境中的行为。研究人员利用一系列受控的化学反应，先解开再重新缝合巴基球，首次完成了 CH₄@C₆₀ 的合成。目前甲烷是被放置在其中的最大的分子，代表着巴基球分子笼内可容纳的上限。
这一突破为研究分子的物理性质开辟了新的可能性，并有助于加快医学成像技术的发展。新材料使研究人员首次利用光谱方法研究一个孤立的甲烷分子的物理性质。这些分子在一个被称为“超极化”的过程中也有潜在应用，该过程能极大地增强核磁共振技术中的信号。[6] [7]
关键词：平面六边形、诺奖得主的预言
诺贝尔奖得主维纳尔（Alfred Werner）在 1893 年预言的一种具有平面六边形结构的过渡金属配位化合物在今年被找到了。这项无机化学的进展表明过渡金属配合物中存在平面六边形结构，这对催化、合成、材料科学、光物理和生物无机化学都具有潜在的意义。
六配位配合物在配位化学中普遍存在。维尔纳在 19 世纪至 20 世纪初的研究中，仅通过可观察的性质，提出了六配位配合物的各种可能的异构体的存在，并得出了三种几何构型，其中一种是六边形平面。经过 100 多年的探索终于得以验证。研究人员认为，他们的发现有可能为过渡金属配合物引入新的设计原则。[8] [9]
关键词：纳米碳、互锁结构
科学家利用一种新方法，借助硅原子，成功地构建了仅由苯环构成的互锁结构的分子纳米碳，包含索烃和三叶结结构，为开发具有复杂几何结构的新型纳米碳材料铺平了道路。
石墨烯和碳纳米管等具有纳米级周期性的碳材料被称为纳米碳，它有望成为轻质、高功能性的下一代新材料。由于纳米碳的性能会因其结构的不同而有很大的差异，因此精确合成具备所需性能的纳米碳结构具有较高的门槛。自 20 世纪 60 年代以来，人们分别合成了被称为索烃和三叶结的分子。近年来，这类获得了 2016 年诺贝尔化学奖的分子有望应用于纳米机器。这项研究的成果将为合成具有复杂几何结构的纳米碳推进一大步。利用碳骨架构建复杂的几何结构，更为复杂纳米碳将可以被设计并合成出来。[10] [11]
关键词：最长、最扭曲
今年，化学家第一次创造了十二苯取代并四苯（dodecaphenyltetracene）。它有一个并四苯（四个稠苯），在每个可能的位置被更多苯环取代，分子中总共包含 12 个苯环。这个目前合成的最庞大、最密集的并苯分子，仅需通过三步即可合成。
这种新合成的物质呈深红色，并且会发光，而这种分子的化学性质不太活跃，通常不产生化学反应，只会在空气中缓慢分解。虽然这种并苯暂时还没有实际的用途，但它具有特别的光电特性，或许未来可以在传感器或某些电子元件中得到应用。[12] [13]
关键词：分子笼、氯盐、淡水资源保护
今年，研究人员合成了一种强大的新分子笼来捕获氯盐。最常见的氯盐是氯化钠或普通食盐，其他氯盐包括氯化钾、氯化钙和氯化铵等。盐在水中之所以能轻松溶解，部分原因也归结于极化的 O-H 键能吸引带负电荷的氯离子。因此，以往的用于捕获氯盐的分子笼常常由 O-H 键或 N-H 键构成。
而这种新的用来捕获氯盐的分子是由过去被认为太弱的 C-H 键构造而成的，但它的性能比十年前类似的结构相比提高了 100 亿倍。如果你把百万分之一克的这种分子放在一吨水中，所有分子仍然能够捕获氯盐。在人口持续增长的同时，盐渗入淡水系统，正在减少全球可饮用的水源。而这项技术有可能减少氯盐渗入淡水系统，有望成为解决这一问题的关键一步。[14] [15]
参考来源：
[1] https://cen.acs.org/synthesis/CENs-molecules-year-2019/97/i48
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1661-x
[3] https://phys.org/news/2019-10-scientists-nanocage-antiaromatic-walls.html
[4] https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1299
[5] http://www.sci-news.com/physics/cyclocarbon-07503.html
[6] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201900983
[7] https://www.southampton.ac.uk/chemistry/news/2019/03/15-scientists-molecular-surgery-breakthrough.page
[8] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1616-2
[9] https://phys.org/news/2019-10-molecular-early-nobel-laureate-century.html
[10] https://science.sciencemag.org/content/365/6450/272
[11] https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191007100406.htm
[12] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201812418
[13] https://www.chemistryworld.com/news/16-benzene-rings-make-up-bulkiest-ever-acene-/3010204.article
[14] https://science.sciencemag.org/content/365/6449/159
[15] https://www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190523143056.htm
本文转载自公众号“原理”
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