輪烷

輪烷是一個或多個環狀分子和一個或多個鏈狀分子為軸組成的分子集合，其鏈分子作軸穿過環分子的空腔，兩端結合有體積較大分子以防止軸分子的滑出，從而形成了穩定的輪烷結構。

基本介紹

• 中文名：輪烷
• 外文名：rotaxane
• 屬性：烷
• 學科：化學

研究背景

輪烷作為一個比較完整的定義是由schill在1971年提出來的，是由拉丁文roda（輪）及axis（軸）組成而得。用化學語言來說，它含有一個或幾個環狀分子（輪）和一個線性分子（軸）。為了防止它們之間相互滑動，再現性分子的兩端必須有兩個體積足夠大的基團—封基（slopper）。其線性分組子和環狀分子通過所謂的“力學鍵”（machamical-bonding）相連，而不是通過強的共價鍵和配位鍵連線，但是分子的性質卻由兩個單元分子共同決定。理論上任何一個線性分子都可以穿入或穿過一個內徑足夠大的環分子，假如隨後線上性分子的兩端引入足夠大的基團能阻止線性分子的離去就可以得到穩定的輪烷分子，而如果線性分子能從環分子內腔離去，二者形成的超分子被稱為準輪烷。最簡單的輪烷結構由一個線性分子和一個環分子構成。由一個線性分子和n-1個環分構成的輪烷用[n]輪烷表示。早在二十世。紀60—70年代人們就合成出了輪烷。不過當時的產率相當低，純粹建立在偶然的基礎上。此後對輪玩的研究一直停滯不前。最近十年內，隨著超分子化學的發展，輪烷的研究發生了翻天覆地的變化。科學家們不僅找到了更好的合成輪烷的方法，同時更重要的是已經開始探索輪烷的特殊性質。

定義

輪烷（Rotaxane）是一類由一個環狀分子套在一個啞鈴狀的線型分子上的而形成的內鎖型超分子體系。如果包含多個環狀分子，則成為聚輪烷（Polyrotaxane）。與輪烷對應的假輪烷（Pseudortaxane），又稱準輪烷，與輪烷區別在於線型分子兩端沒有位阻基團，主體（環狀分子）與客體（線型分子）可以自由的離解和締合。若包含多個環狀分子，則為聚準輪烷（Polypseudortaxane）。

輪烷和索烴是目前人們研究較多的兩類雙穩態分子。

套用

超分子科學作為化學科學、生命科學、材料科學、分子電子學、感測器等學科的交叉與融合而產生的新研究領域，近年來的得到了迅猛的發展，取得了令人矚目的成果。通過分子間相互作用形成的輪烷、索烴等超分子實體也為在納米和分子尺度上設計和構築新型的分子器件提供了廣闊的套用前景。

輪烷化合物的合成原理

由於輪烷分子是通過環狀分子和線性分子之間的超分子作用力而形成。通過形成新的共價鍵利用將這些弱相互作用把線性和環分子組合固定在一起，然後得到穩定的輪烷。而根據形成的共價鍵部位和組裝次序的不同可分為三種方式：1.首先使線性分子和環狀分子形成準輪烷，再線上性分子的兩端引入封基組裝成輪烷分子。2.在較高溫度下使內徑相當的環分子組分穿過線性分子的端基，得到在較高溫度下穩定的輪烷。3.先使分別帶有一個封基的兩個線性分子片段與環狀分子形成環狀配合物，然後通過共價作用將線性分子片段連線起來組裝成輪烷分子。

輪烷的分類

輪烷的類型可以根據輪烷的各部件的類型以及輪烷中環狀分子之間的作用力不同而區分開來。由於輪烷中一般的情況下是多種作用力同時存在，這裡我們根據輪烷中不同類型的環分子而把輪烷區分出來的幾種類型的輪烷。

冠醚類輪烷

在這類輪烷中，環狀分子由冠醚構成，常用的冠醚一般含有富電子的苯或者萘成分.stoddae實驗小組合成出許多冠醚類輪烷。如對苯二撐-34-冠-10（EPP34C10）和帶來樹狀分子塞子的連二吡啶鹽化合物混合後，可以再見高溫度下形成準輪烷，然後在較低溫度下形成輪烷。隨著合成技術的提高，人們不斷合成出新型冠醚類輪烷。

大環醯胺類輪烷

在這種輪烷中存在著環狀醯胺分子與線性分子之間的氫鍵作用。她是氫鍵作用與其合成起著決定作用。Leigh等報導了一種醯胺類輪烷的合成，這個化合物中有多肽結構。用於模擬蛋白質中的分子機器實驗發現大環醯胺可以對可以對肽鍵的構型起著決定性的作用。氫鍵的穩定作用使得多肽分子以Z式結構存在。

環糊精型輪烷

具有獨特的腔狀疏水結構。它與鏈烷烴分子有較強的疏水作用。促使這兩類輪烷分子的組裝。