苯環的有機合成之納米小人系列

2021-01-20 初中化學大師

Rice大學的James M Tour教授的工作,關於苯環的有機合成。

以上圖片來自維基百科,下面的解釋性內容出自是蘭州大學功能有機分子國重實驗室張浩力老師在科學網發布的博客。以下是博客原文:

美國Rice大學的James M Tour教授是我非常欣賞的學者之一。不僅在於他的工作非常出色,而且在於他興趣廣泛,每每做出一些很有創意的工作。

這位老兄原先在南加州大學,1999年以後到Rice大學。他的專業應該是有機合成。說「應該」是因為雖然他的博士和博士後的確是做有機合成和金屬有機化學的,而且也一直從事有機合成工作,但是他顯然是個不安於本行而又觸類旁通的傢伙。現在他不但是化學教授,而且是計算機科技教授,機械工程與材料學教授。看他的簡歷,從有機化學到納米技術,從石油提取到時髦的石墨烯材料,從鋰離子電池到分子電子學無所不包。文章更是Science,Nature,JACS一大堆,讓人不佩服不行。

這麼牛的Tour教授還熱衷於科普,花費很大精力和金錢,採用直觀而有趣的內容向普通大眾介紹納米技術、分子電子學這些概念。本人因為從事分子電子學的研究,總是對Tour合成的各種分子器件感興趣。這裡與大家分享一下他的「納米小人」系列分子。

納米小人的英語是Nanoputian,這是Tour發明的一個合成詞,前面是nano(納米),後面的putian來自於lilliputian(小人國)。Nanoputian是一些擬人的有機分子,由Tour的團隊在2003年合成。這些分子的結構對於熟悉分子電子學的人既熟悉又新穎。因為它們都是通過分子電子學研究中常用的有機結構單元組合起來的,但又同時充滿了創意。

這些化合物由乙炔撐基連接的兩個苯環作為身體,四個連有烷基鏈的乙炔單元作為手和腳,頭部是一個1,3-二氧戊環。這些結構的合成主要依靠Sonogashira偶聯反應(我們組天天做的反應)。在腳上接上硫醇官能團使他們可以「站」在金的表面(自組裝單分子膜)。

上半身的合成:Sonogashira偶聯反應接上胳膊,引入一個醛基,用乙二醇保護構成頭部。

下半身的合成:還是Sonogashira偶聯,重要是控制苯環上面和下面的連上不同的炔基。

上半身和下半身組合起來:

頭部可以有不同的帽子:

合成可以站得住的納米小人:在腳上接上巰基使他們可以「站」在金的表面,即形成自組裝單分子膜。巰基太活潑了,需要用乙醯基保護,組裝的時候加酸現場脫除。

兩個小人跳舞了,好像還分男女呢?

反應還會生成有寡聚物的副產品,這個好像是在做「波浪傳遞」。

這些納米小人是Tour的納米小子項目(NanoKidsEducational Outreach Program)的一部分。為了完成這個項目,Tour和他的團隊投入了25萬美元,Tour教授四處籌錢,甚至動用的自己項目經費中的一部分。

Tour不但設計了具有不同形象的納米小人,還用他們拍攝了各種動畫片,製作了CD、互動軟體用於吸引孩子的注意力。毫不奇怪,這個項目非常成功。他為中小學生教育而創建的納米小子(NanoKids)概念逐漸擴展成為了德州目前最廣泛使用的一個科學教育系統

參考文獻:2.Chanteau, S. H.; Tour, J. M. (2003). "Synthesis of AnthropomorphicMolecules: The NanoPutians". TheJournal of Organic Chemistry 68 (23): 8750–8766.

3.Chanteau, S. H.; Ruths, T.; Tour, J. M. (2003). "Arts and Sciences Reunitein Nanoput: Communicating Synthesis and the Nanoscale to the Layperson".Journal of Chemical Education 80 (4): 395

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