美國化學會旗下的 C&EN 雜誌每年都會在新合成的化學分子中評選出一批「年度分子」，今年也不例外。其中不僅包括一個「特別的」納米籠、由 18 個碳原子組成的「純碳環」、一口氣聯結了 12 個苯環的「扭曲」大分子等等，還有一個 126 年前就得到諾貝爾化學獎得主 Alfred Werner 預言的「新人」.
來源 C&EN
編譯 公眾號「原理」
化學家一直在突破極限。他們用各種技術手段不斷合成新的分子，探索各種分子結構及其性質。一些新分子可以帶來直接的應用，而另外一些則揭示了獨特的性質。
2019 年，美國化學會旗下的 C&EN 像往年一樣，邀請讀者投票，從今年新合成的分子中評選出「年度分子」，反芳香性納米籠以最高票數當選。除此之外，其餘 6 個分子也各有特色：
關鍵詞：納米空間、反芳香性
今年，一組國際科學家構建了一個非比尋常的納米籠，它的籠壁由反芳香族分子構成。到目前為止，一些研究已經利用芳香族分子構成了納米籠，但由反芳香族分子構成籠壁尚屬首次，因為反芳香族分子通常被認為不夠穩定。
納米籠是一種空心的納米結構，它常常表現出實心材料不具備的獨特性能，因此受到廣泛關注。在這項研究中，科學家將一系列客體分子包封在籠內，進一步測試了這個納米空間內的獨特環境。這項研究拓展了納米化學工程邊界，創造了一種全新的納米空間，可供科學家繼續探索。[2] [3]
○ 圖片來源：IBM Research
關鍵詞：環狀排列、碳的同素異形體
這是一種全新的碳的同素異形體，同時也是十分罕見的一種。它由 18 個碳原子環狀排列形成，被稱為環[18]碳。
碳能以許多不同的形式出現，比如我們熟知的金剛石、石墨、碳納米管和各種形狀的富勒烯等都是碳的同素異形體，每種都有各自獨特的性質。然而還有一些不太為人所知的形式，環碳就是其中之一。
環碳中的碳原子只有兩個相鄰原子。通常它們具有很高的反應性，因此很難被分離及研究。對環碳的結構有兩種猜測，一種認為環中所有鍵的長度都相同（只存在雙鍵），另一種認為環中存在長短交替的鍵（也就是單鍵和三鍵交替）。在這項研究中，科學家通過原子操縱技術成功構建出環狀碳，揭示了環碳有著單鍵和三鍵交替的結構。新研究使用的這項技術在未來或許能夠讓我們構建更複雜的環碳或環狀氧化碳。[4] [5]
○ 圖片來源：University of Southampton
關鍵詞：巴基球、甲烷
今年，研究人員成功地將甲烷分子（CH₄）放入一個巴基球分子（C₆₀）籠中，形成 CH₄@C₆₀。
巴基球是由60個碳原子組成的分子籠，它特有的結構可被用於觀察被放入其中的分子在一個孤立環境中的行為。研究人員利用一系列受控的化學反應，先解開再重新縫合巴基球，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，代表著巴基球分子籠內可容納的上限。
這一突破為研究分子的物理性質開闢了新的可能性，並有助於加快醫學成像技術的發展。新材料使研究人員首次利用光譜方法研究一個孤立的甲烷分子的物理性質。這些分子在一個被稱為「超極化」的過程中也有潛在應用，該過程能極大地增強核磁共振技術中的信號。[6] [7]
○ 圖片來源：Imperial College London關鍵詞：平面六邊形、諾獎得主的預言
諾貝爾獎得主維納爾（Alfred Werner）在 1893 年預言的一種具有平面六邊形結構的過渡金屬配位化合物在今年被找到了。這項無機化學的進展表明過渡金屬配合物中存在平面六邊形結構，這對催化、合成、材料科學、光物理和生物無機化學都具有潛在的意義。
六配位配合物在配位化學中普遍存在。維爾納在 19 世紀至 20 世紀初的研究中，僅通過可觀察的性質，提出了六配位配合物的各種可能的異構體的存在，並得出了三種幾何構型，其中一種是六邊形平面。經過 100 多年的探索終於得以驗證。研究人員認為，他們的發現有可能為過渡金屬配合物引入新的設計原則。[8] [9]
關鍵詞：納米碳、互鎖結構
科學家利用一種新方法，藉助矽原子，成功地構建了僅由苯環構成的互鎖結構的分子納米碳，包含索烴和三葉結結構，為開發具有複雜幾何結構的新型納米碳材料鋪平了道路。
石墨烯和碳納米管等具有納米級周期性的碳材料被稱為納米碳，它有望成為輕質、高功能性的下一代新材料。由於納米碳的性能會因其結構的不同而有很大的差異，因此精確合成具備所需性能的納米碳結構具有較高的門檻。自 20 世紀 60 年代以來，人們分別合成了被稱為索烴和三葉結的分子。近年來，這類獲得了 2016 年諾貝爾化學獎的分子有望應用於納米機器。這項研究的成果將為合成具有複雜幾何結構的納米碳推進一大步。利用碳骨架構建複雜的幾何結構，更為複雜納米碳將可以被設計併合成出來。[10] [11]
關鍵詞：最長、最扭曲
今年，化學家第一次創造了十二苯取代並四苯（dodecaphenyltetracene）。它有一個並四苯（四個稠苯），在每個可能的位置被更多苯環取代，分子中總共包含 12 個苯環。這個目前合成的最龐大、最密集的並苯分子，僅需通過三步即可合成。
這種新合成的物質呈深紅色，並且會發光，而這種分子的化學性質不太活躍，通常不產生化學反應，只會在空氣中緩慢分解。雖然這種並苯暫時還沒有實際的用途，但它具有特別的光電特性，或許未來可以在傳感器或某些電子元件中得到應用。[12] [13]
關鍵詞：分子籠、氯鹽、淡水資源保護
今年，研究人員合成了一種強大的新分子籠來捕獲氯鹽。最常見的氯鹽是氯化鈉或普通食鹽，其他氯鹽包括氯化鉀、氯化鈣和氯化銨等。鹽在水中之所以能輕鬆溶解，部分原因也歸結於極化的 O-H 鍵能吸引帶負電荷的氯離子。因此，以往的用於捕獲氯鹽的分子籠常常由 O-H 鍵或 N-H 鍵構成。
而這種新的用來捕獲氯鹽的分子是由過去被認為太弱的 C-H 鍵構造而成的，但它的性能比十年前類似的結構相比提高了 100 億倍。如果你把百萬分之一克的這種分子放在一噸水中，所有分子仍然能夠捕獲氯鹽。在人口持續增長的同時，鹽滲入淡水系統，正在減少全球可飲用的水源。而這項技術有可能減少氯鹽滲入淡水系統，有望成為解決這一問題的關鍵一步。[14] [15]
參考來源：
[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
本文轉載自公眾號「原理」
（ID:principia1687）