機械互鎖結構分子

機械互鎖結構分子（英語：Mechanically interlocked molecular architectures，MIMAs）是一個超分子化學重要概念^[2]，在拓撲學領域頗有意義^[3]。機械互鎖結構分子由許多環狀分子嵌套而成，這些環狀分子之間的連接並非傳統的共價鍵，稱為機械鍵（mechanical bond）^[4]。是出現在輪烷及索烴等機械互鎖分子結構的化學鍵。有別於一般的有機物，這類分子屬於一種新型拓撲結構分子^[2]^[4]，互鎖的兩個化學結構之間沒有共價鍵的鍵結，是兩個獨立的結構，但因為其幾何結構的關係，讓兩個分子需維持一定的距離或是特定幾何關係，只有破壞其中一個結構的共價鍵才能破壞互鎖分子之間的機械鍵。在納米技術、有機合成等領域，這種分子都有極大用武之地，它是製造分子機器的基礎^[3]，例如其製造出的分子馬達能夠模仿生物體的一些功能^[4]。

有些分類會將機械鍵歸類在超分子化學中，不過這個名詞是比較新的名詞，不像共價鍵、氫鍵、離子鍵那麼常用。

定義

機械互鎖結構分子指一類結構獨特的超分子，其多個組分之間由機械鍵而非共價鍵相連^[4]^[3]。只有某個組分內部的共價鍵斷裂時，整個結構才會解體^[3]。

分類

准輪烷與輪烷

輪烷結構示意圖

准輪烷不屬於機械互鎖結構分子，它指的是一類絡合物，其中線狀分子作為客體穿過主體，其間通過分子間作用力連接^[2]。准輪烷是合成多種機械互鎖結構分子的前體，故其穩定程度會影響此合成的產率^[2]。

輪烷的結構如左圖所示，其中一個環狀分子作為「輪」，一個線狀分子作為「軸」，後者兩個端基體積大於前者內徑，從而兩者無法脫離^[2]^[3]。

索烴

索烴結構示意圖

分子結

分子結結構示意圖

Borromean鏈環分子

Borromean鏈環分子（英語：Molecular Borromean rings）結構示意圖

合成

模版合成法是合成機械互鎖結構分子最有效的方法之一^[2]^[3]。其中金屬配位鍵則是一種常用的模版作用^[3]。

1981年，Ogino最先合成出了含金屬配位鍵的輪烷^[3]，其具體方法是將氯化二氯二乙二胺合鈷(III)與穿過α-環糊精的二胺分子配位，最終產率為19%，在當時屬於極高的產率。^[5]

應用

機械互鎖結構分子有外加能量（如化學能、電能、光能等）時可以在兩種狀態之間轉換（分別代表二進制下的0與1），這一特性可用於製造分子機器^[6]。

參見

參考文獻

^ Peter R. Ashton, Christopher L. Brown, Ewan J. T. Chrystal, Timothy T. Goodnow, Angel E. Kaifer, Keith P. Parry, Douglas Philp, Alexandra M. Z. Slawin, Neil Spencer, J. Fraser Stoddart and David J. Williams Chemical Communications, 1991, 634 - 639.
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^ ^3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 ^3.4 ^3.5 ^3.6 ^3.7 葉楊; 林喆萍; 金雯露; 王淑萍; 吳靜; 李世軍. 金属配位与主客体识别协同组装构筑机械互锁结构. 化學進展. 2015, 27 (6): 763–774 [2017-03-02]. doi:10.7536/PC150228. ^{[永久失效連結]}
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^ Hiroshi Ogino. Relatively High-Yield Syntheses of Rotaxanes. Syntheses and Properties of Compounds Consisting of Cyclodextrins Threaded by α,ω-Diaminoalkanes Coordinated to Cobalt(III) Complexes. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103 (5): 1303–1304 [2017-03-03]. doi:10.1021/ja00395a091.
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外部連結

The Nature of the Mechanical Bond，弗雷澤·斯托達特 Article

[1] Peter R. Ashton, Christopher L. Brown, Ewan J. T. Chrystal, Timothy T. Goodnow, Angel E. Kaifer, Keith P. Parry, Douglas Philp, Alexandra M. Z. Slawin, Neil Spencer, J. Fraser Stoddart and David J. Williams Chemical Communications, 1991, 634 - 639.

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