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索烃化学伯苓班王聪摘要：索烃是一种典型的机械互锁分子，具有重要的拓扑学特征，在超分子化学、分子生物学和分子器件材料学上有着越来越重要的作用。本文将重点介绍一下索烃的组成、功能以及【2】索烃的合成方法。机械互锁分子是一类由于机械原因结合在一起的典型超分子体系，根据它们的互锁方式又分为了索烃、轮烷和分子扭结和分子博洛米尼结等等（如图表1）。他们不仅都有着有趣的拓扑学结构，在分子识别和分子电子器材材料等方面都有着重要的潜在价值。索烃作为其中较为常见的一种，有着独特的功能。出于趣味性和实用性的考虑，人们也开始探索索烃的合成。而随着新的化学合成方法不断被发明，索烃的合成也在近几十年中不断取得进展。图表1索烃的功能和应用索烃在分子识别和分子机器的审计上有重要应用，可作为分子机索烃Catane器部件和发动机（传感器）。如图表2，这种水溶性索烃在电化学和酸碱驱动下可以转动。由于四硫富瓦烯更富电子，所以此位点位于环番空腔内。当施加电压使四硫富瓦烯位点变为缺电子时，冠醚的苯环位点就会运动到环番内。另一方面，由于环番内氮杂芘位点更缺电子，所以其位于冠醚空腔；然而此位点可与胺生成更稳定螯合物，从而可实现酸碱驱动的运动i。这一发现对分子机器的设计和调控意义重大。图表2索烃合成方法的发展穿线法，又称统计法，是最早或的索烃的方法。在酮醇缩合α-羟基酮的闭环过程中，可能会随机地穿过其他环而得到索烃。第一个索烃就是通过这种方法合成的ii（如图表3）。这样合成索烃的产率极低。图表3Mobius带合成法人们早期合成索烃的一种方法。通过切断双扭曲梯形分子之间的键，就可以得到索烃iii（如图表4），这种方法有一定的定向性，并且充分利用了数学知识。虽然大环分子易扭曲，但是扭曲的数目却是不确定的（如图表5），这也就意味着满足要求的双扭曲梯形分子的合成产率不会太高。而且这种方法只能得到【2】索烃，不能讲更多的环互锁在一起。通过这一方法合成索烃依旧不是很合适。图表4图表5模板导向法是目前定向得到【2】索烃的最常用方法。主要分为两步，一是未互锁的两部分（双线性或主客体）通过模板定型得到准轮烷，二是将准轮烷通过关环得到索烃。准轮烷是合成轮烷和索烃的中间体，有着一定的稳定性（如图表6）。图表6按照准轮烷的合成方法，又可将模板定向法分为以下几种。共价键模板-定向合成法这一方法最早的应用是通过形成缩酮而将两部分固定在一起，通过对芳环上胺的烷基化就可以关环。再将芳环上的胺取代，将缩酮水解，就得到了仅由机械互锁结合在一起的两个环iv（如图表7）。图表7金属配位模板法这一方法通过与中心过渡金属的配位形成准轮烷，关环后再用强配体夺取过渡金属，就得到了轮烷v（如图表8）。这种方法也有可能得到大环，但索烃产率还是比较高的。通过这种方法人们还得到了具有手性的索烃。图表8阴离子模板法vi（如图表9）图表9氢键合成法vii（如图表10）图表10电子授-受体模板法反应中通过富电子的苯环与缺电子的吡啶阳离子的电子授受作用得到准轮烷viii（如图表11）。在这一方法中大环冠醚的大小对产率有重要影响。34-冠-10产率为70%。环小时不利于吡啶前体进入以形成准轮烷，环大时吡啶前体易穿过醚环，无法互锁。图表11基于Click反应，CuAAC法也被应用于合成电子授受体模板法合成索烃ix（如图表12）。图表12总结本文简要介绍了机械互锁分子及索烃的定义，举例说明了索烃的功能，并归纳了索烃合成的方法及其发展历史，并就最新的合成进展进行了说明。而随着新的合成方法不断被发现，索烃的合成路线也会得到进一步。我们相信，分子尺度机器会得到越来越广泛的应用，而以索烃为代表的机械互锁分子将会因其分子识别、相对运动、由外界环境变化而改变构象的功能特点得到进一步的开发。iFangl,WangC,FahrenbachAC,TrabolsiA,BotrosYY,StoddartJF.AngewChem,IntEd,2011,50:1085.iiWassermanE,JAmChemSoc.1960,82:4433.iiiWassermanE,Ben-EfrarmDA,WolivskyR.JAmChemSoc.1968,90:3286.ivSchillG.ChemBer,1976,100:2021.vDietrickBucheckerCO,MarootPA,SauvageJP,etal.XouvJChem,1984,8:573.viSambrookMR,BeerPD,etal.JAmChemSoc,2004,126:15364.viiGuidryEN,CantrillSJ,StoddartJF,GrubbsRH.OrgLett,2005,7:2129.viiiBrownCL,PhilpD,StoddartJF.SynLett,1991:495.ixMiljanicOS,DichtelWR,MortezaeiS,StoddartJF.OrgLett,2008,8:4835.