小孩子才做选择题,化学家什么都想要!

作者: 徐广强 杨茹琳

来源: 科学大院

发布日期: 2020-05-07

本文探讨了手性在化学中的重要性,特别是手性分子和手性聚合物的特性和应用。通过化学家的研究,如何通过选择性聚合不同手性单体来获得理想的手性聚合物材料,并介绍了不对称拆分聚合的方法。

小孩子才做选择题,化学家什么都想要!!高分子化学家面对“选择困难症”也可以这么随意任性吗?化学家们如何通过对不同手性单体的选择性聚合,获得理想的手性聚合物材料呢?我们去看看吧。

“左手”还是“右手”?伸出你们的左手和右手,我们先把目光聚焦在手性。左右手镜面对称无法重合。手性,顾名思义就是和我们的双手一般,两个物体看似相同但却呈镜面对称关系,无法通过旋转移动实现重合。手有左右之分,手性也有“左手性”和“右手性”之别。一般我们认为镜面对称且无法重合的两个物体具有不同的手性。

手性是自然界的基本属性,从宇宙星云到海洋贝壳再到微观分子,随处可见都有手性的身影。大自然在这道选择题面前似乎更偏好选择右手性,比如我们在海滩上捡到的贝壳大多从顶端起顺时针右旋,树枝上缠绕的藤蔓也大多右螺旋向上攀爬。

在化学家眼里,手性有着举足轻重的地位。化学家最关注的自然是分子层面的手性,一个化合物分子不能与其镜像分子重合,这类分子就是手性分子。手性分子与其镜像分子具有不同的手性,一个是“左撇子”(左旋),一个是“右撇子”(右旋),我们称它们两个为一对对映体,二者的等量混合物我们称之为外消旋体。

分子手性的差异看似微不足道,但却使分子的一些性质大相径庭。

比如常作为香料的香芹酮,左旋的香芹酮具有清香的薄荷味,右旋香芹酮具有橘皮味。再比如上世纪一时轰动的“反应停”事件,当时人们并没有意识到手性对分子性质的影响,所生产的沙利度胺药物是手性对映体的混合物,但其实只有R构型的沙利度胺是治病良药,而其对映体却有严重的胎儿致畸性,因此数以千计畸形胎儿降生,酿成巨大悲剧。所以说,手性研究在化学领域可是不容忽视,作为一名化学家这时候可千万不能有“选择困难症”!

手性小分子的故事不胜枚举,那许多手性小分子手牵手形成的手性聚合物,又会发生哪些新鲜事呢?手性聚合物本领大。我们首先给手性聚合物来个“查户口”,看看手性聚合物到底是何方神圣。不得不说,手性聚合物家族真的是人才济济,久负盛名的当属生命的基础物质蛋白质以及遗传基础DNA与RNA。

这些“骨骼清奇”的合成手性聚合物从何而来呢?

大多数手性聚合物的生产都是通过单一手性的光学纯单体直接聚合而来,听起来似乎轻而易举,但是且慢,光学纯单体可不是唾手可得的,毕竟更多情况下不同手性的两种对映体可是难分难舍,这时候化学家要做一道很难的选择题,有些光学纯单体的获取并非易事,获得了单体后再绞尽脑汁将单体聚合起来,最终才能获得手性聚合物。

面对这样繁琐的步骤,中科院青岛能源所的王庆刚课题组的科研人员提出了一种方法,直接利用外消旋单体一步到位合成手性聚合物,并称之为“不对称拆分聚合”。

我们来揭开“不对称拆分聚合”神秘的面纱,看看化学家怎样来做好这道选择题。不对称拆分聚合,就是利用手性催化剂催化外消旋单体,优先选择性聚合某一手性对映体,而催化另一对映体聚合活性低故其仍为单体形式,由此可获得手性聚合物和另一手性的单体。

聚合开始了,手性催化剂勤勤恳恳的工作着,工作效果如何?我们当然希望完全解决这个选择题,高效实现拆分聚合获得手性聚合物,那实际的催化选择性我们如何知晓?为此我们派出各位能够洞察微观世界的考核官给手性催化剂对聚合的推进情况考个试打个分。常用的检测仪器核磁共振仪、高效液相色谱和差示扫描量热仪。

过去几十年,许多化学家致力于寻找解决这道选择题的密钥,尝试了对不同外消旋单体进行不对称拆分聚合,开发了包括酶催化剂、有机小分子催化剂和金属催化剂等不同类型的催化体系,也都取得了一定的成果。不过,对于手性聚合物材料的合成仍有许多问题等待化学家们去探索,长风破浪会有时,相信有一天,他们一定会彻底解决这个“选择困难症”呢。

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