索烃

索烃，英文名：Rused ring，Catenane来源于拉丁语Catena（链），意思是由联索环组成的分子。索烃含有多个微小而互扣的原子环，但每个环之间不被任何价键力连接。最简单的例子是2-索烃，括号中的数字代表联索环数目。索烃B是由两个分离环组成的分子A的拓扑学异构体。另一种简单的2-索烃是含有四个交叉点的双联索2-索烃。

简介

索烃可用统计方法合成或直接合成。本化合物的合成在有机合成史上具理论意义。例如三十四碳二羧酸乙酯缩合生成环状偶姻，然后用浓盐酸和锌汞齐还原(用在D2O中的DCl)得含五个重氢的三十四碳环。然后以二甲苯和这一环烷为溶剂(1:1)，再重复上述反应，有些分子在关环前要穿过这个环。反应产率很低，要靠二酯分子在关环前穿过三十四碳环的概率。

在二十世纪六十年代初，Frisch等人首次将立体化学和拓扑学关联在一起，并命名为化学拓扑学。拓扑学异构体的一个重要实例就是索烃(Catenane)。人们在研究脱氧核糖核酸在促旋酶作用下拓扑形状变化过程中发现了DNA索烃。近年来由于合成和分析手段的进步，人们得以以较高的产率合成此类化合物。

化学性质

索烃是一个机械互锁分子，包含有两个或两个以上互锁的大环分子。除非环分子内部的共价键断裂，否则互锁的环不能够分开。索烃的英文名（Catenane）源自拉丁文的Catena，意思是“链”。索烃和其他机械互锁分子有着概念上的联系，例如：轮烷、分子扭结和分子博洛米尼结。最近，人们用机械键这样一个新的术语来描述索烃环之间的连接。

合成

模板导向法合成演示动画

合成索烃主要有两种方法。第一种方法是简单的关环反应，希望分子在环关闭的时候位于恰好的位置，形成索烃。这种方法也被称作“统计法”，第一个索烃在合成时即采用此法，利用了二元酸酯的酮醇缩合反应。此法的最大缺陷在于产率太低，因此很少被采用。

第二种方法依靠前体大环分子的超分子预组装，比如利用氢键、金属配位、疏水作用或库仑作用等。这些非共价作用抵消了部分结合并且使反应的分子处于适当的构型。这也被称为“模板导向法”，如果再采取高压，能够得到超过90%的产率，这才使得索烃能够被广泛的应用。使用此方法的一个例子是用胺醚二吡啶盐与冠醚二（对亚苯基）-34-冠-10形成稳定的配位化合物。

应用

一个索烃的结构。

对于索烃来说，最有趣的性质莫过于里面的环可以互相转动。这些动作可以通过核磁共振波谱法等方法来探测。如果一个可以分子内的运动存在，那么该索烃内的环必然有一个或多个热力学稳定位置。如果其中一个位置是可以由外界控制的话，就形成了一个分子开关。对于一个通过大环金属配位生成的索烃来说，移除和再加入金属离子就可以控制环是否能够自由的移动。

合成的索烃常常包含有很多其他的官能团，例如氧化还原识别基团（例如：紫精和四硫富瓦烯）、光敏异构化基团（例如：偶氮苯）、荧光基团和手性基团。引入这些基团的作用包括控制分子的开关、制作分子电子设备以及分子传感器等。

诺贝尔化学奖索瓦日成功合成了一种名为“索烃”的两个互扣的环状分子，而且这两个分子能够相对移动；索瓦日和其他两名科学家詹姆斯·斯托达特、伯纳德·费林加，得用索烃和其他步骤共同研制出的分子机器，并在获得了2016年的诺贝尔化学奖。分子机器具体设计步骤如下：

第一步，索瓦日成功合成了一种名为“索烃”的两个互扣的环状分子，而且这两个分子能够相对移动；

第二步，斯托达特合成了“轮烷”，即将一个环状分子套在一个哑铃状的线形分子轴上，且环状分子能围绕这个轴上下移动，并成功实现了可以上升高度达0.7纳米的“分子电梯”和可以弯折黄金薄片的“分子肌肉”；

第三步，费林加设计出了在构造上能向一个特定方向旋转的分子马达，这个马达可以让一个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃缸旋转起来。有了这三步，分子机器就可以动起来了。

分类

在使用“模板导向法”合成索烃时，有很多不同的方法使反应来固定反应的前体。每一种非共价键的固定方法直接导致一类不同的索烃。

另外一类索烃被称为pretzelanes或bridged catenanes，这是因为他们和一种脆饼干（pretzel）很像，有着一样的空间群。在下面的例子里，一个大环是一个缺电子的oligo 胺醚bipyridinium环，另外一个则是一个基于或对亚苯基的冠醚环芬。X射线衍射证明，因为π-π相互作用，芳香基团被牢固的固定在了吡啶环的内部。在这类化合物中，存在有限数量的异构体，不过它们之间的转化十分迅速。

在手铐型索烃中，两个相互连接着的环套着同一个环。其中二环（红色部分）在一个冠醚中包含了两个邻二氮杂菲单元。这种联锁环是可以自组装的，反应第一步是两个或更多个邻二氮杂菲单元上的烯烃臂与一个铜（I）配位化合物配位，然后经过烯烃复分解反应关环，形成产物。

命名

在索烃的命名法中，在“索烃”前面会用一个带方括号的数字注明环的个数。现在合成和分离的含最多环的索烃有七个环，所以是索烃。

参考资料

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