把化学玩出花样——解读2016年“明星分子”

摘要

在刚刚过去的一年中,化学化工领域有许多值得大书特书的研究成果,这其中就包括了诞生于2016年的诸多“明星分子”。这些分子“酷炫”的结构的背后,是科学家们探索未知世界的不懈努力。《化学化工新闻》评选了7种在2016年创造纪录的分子,快来领略一下它们的风采吧。

题图

​在刚刚过去的一年中,化学化工领域有许多值得大书特书的研究成果,这其中就包括了诞生于2016年的诸多“明星分子”。这些分子“酷炫”的结构的背后,是科学家们探索未知世界的不懈努力。《化学化工新闻》评选了7种在2016年创造纪录的分子,快来领略一下它们的风采吧。

首个形成双螺旋结构的无机化合物

DNA的双螺旋结构为人们所熟知。自发现DNA双螺旋结构起的60余年以来,人们一直希望能够发现其他能够形成双螺旋结构的化合物,特别是无机物。然而已经证实的例子要么仍然含有碳元素,要么必须经由特殊的模板才能实现双螺旋结构。在2016年,来自德国慕尼黑工业大学的Tom Nilges等研究人员终于发现首个能形成双螺旋结构的无机物——由磷、碘和锡三种元素形成的化合物SnIP. 在这个化合物中,双螺旋的一条链为磷化物负离子,另一条链为碘化锡正离子。

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SnIP形成的针状晶体

​相关论文:Inorganic Double Helices in Semiconducting SnIP

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603135/abstract

由二茂铁构成的“摩天轮”

二茂铁是一种金属有机化合物,分子式为Fe(C5H5)2. 在二茂铁分子中,两个环戊二烯通过配位键将铁原子夹在中间,整个分子看上去好像一块夹心饼干或者三明治,因此它又被称为夹心配合物。在2016年,来自伦敦帝国学院的研究人员成功将多个二茂铁分子首尾相邻得到形状像是摩天轮的大环结构。这种大环结构有可能被用来检测特定分子或离子的存在并将其捕获,因而可能具有独特的应用价值。

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相关论文:Oligomeric ferrocene rings

http://www.nature.com/nchem/journal/v8/n9/full/nchem.2553.html

铯与氟联手打造超高配位数

铯与氟这两种元素分别位于元素周期表的左下角和右上角,在具有稳定同位素的元素中,前者电负性最低,后者电负性最高。因此,研究人员期待二者相遇时会创造出新奇的结构。在2016年,来自德国马克斯·普朗克煤炭研究所的Klaus-Richard Pörschke等人报道,在一种分子式为Cs[H2NB2(C6F5)6] 的化合物中,一个铯原子可以与高达16个氟原子相配位,再次书写了超高配位数的纪录。所谓配位数,指的是在分子或者离子中与某个原子相邻的原子个数,较高的配位数意味着一个原子可以形成更多的共价键。超过12的配位数就已经相当罕见,此前研究人员曾经分别在含有钍和钴的化合物中实现15和16的配位数。

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Cs[H2NB2(C6F5)6] 的结构示意图

​相关论文:Cs[H2NB2(C6F5)6] Featuring an Unequivocal 16-Coordinate Cation

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b02590?source=cen

同时含有单键、双键和三键的化合物

1978年,来自美国麻省理工学院的研究人员David N. Clark 和Richard R. Schrock合成了一种含有金属钨的有机物。在这个有机物的分子中,钨原子同时以单键、双键和三键与不同的碳原子结合。近30年后,来自美国密歇根州立大学的Aaron L. Odom等研究人员推出了他们的 “仿制品” 。在他们合成出的这个负离子中,铬原子同时以单键、双键和三键与不同的氮原子相结合。

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​在Schrock(左)和Odom(右)分别合成的化合物中,金属原子都同时以单键、双键和三键与碳原子或者氮原子结合。

报道:A complex with nitrogen single, double, and triple bonds to the same chromium atom: synthesis, structure, and reactivity

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C5SC04608D#!divAbstract

把氮族元素串在一起

氮族元素,又称第15族元素,包含了元素周期表上自上而下氮、磷、砷、锑和铋五种元素(不计刚刚被正式命名的第115号元素Mc)。在2016年,来自英国牛津大学的Alexander Hinz和来自德国罗斯托克大学的Axel Schulz 和Alexander Villinger成功合成出一种新的化合物。该化合物不仅同时含有氮、磷、砷和锑这四种元素,且这四种元素的原子通过化学键直接相连。几位研究人员认为,将铋也添加到分子中是有可能的。如果这一目标成功实现,他们将创造一项纪录:在同一个分子中实现同一组元素的 “大团圆” 。

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​诞生于2016年的这种化合物不仅同时含有氮、磷、砷和锑四种元素,且四种元素的原子直接通过共价键相连

相关论文:Synthesis of a Molecule with Four Different Adjacent Pnictogens

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201601916/abstract

迄今极性最强的电中性分子和最强的碱

极性是化学中的重要概念,用来描述分子或者构成分子的基团或者化学键中电荷分布的不均匀程度。在2015年,来自荷兰的研究人员宣布合成出世界上极性最强的分子——1,2,3,4,5,6-六氟环己烷的全顺式同分异构体。然而仅仅一年后,这一纪录就被打破。来自德国马克斯·普朗克高分子科学研究所的Klaus Müllen带领的研究团队成功合成出一系列六取代苯化合物。在这些化合物中,苯环一侧上的氢原子被强的吸电子基团氰基所取代,而另一侧的氢原子则被强的给电子基团氨基所取代,因此整个分子中电荷分布极不平衡,电偶极矩超过10德拜,其中5,6-二氨基四苯腈的电偶极矩更是高达14.1德拜,远远超过1,2,3,4,5,6-六氟环己烷的全顺式同分异构体6. 2德拜的电偶极矩。

同样是在2016年,在一项气相实验中,来自澳大利亚昆士兰科技大学的Berwyck Poad和他的研究团队成功合成出迄今最强的碱——邻二苯乙炔的二价负离子。

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迄今最强的碱(左)和极性最强的电中性分子(右)的化学结构式

​相关论文:Hexasubstituted Benzenes with Ultrastrong Dipole Moments

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201508249/abstract

Preparation of an ion with the highest calculated proton affinity: ortho-diethynylbenzene dianion

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/SC/C6SC01726F#!divAbstract

原文链接:http://yearinreview.cenmag.org/molecules-of-the-year/ 图片均来自原文

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