- 2022年2月8日，东京大学磯部寛之（HiroyukiIsobe）教授课题组在专业杂志PNAS上在线发表了题为「A minimal cage of a diamond twin with chirality」的科技论文，该研究合成了只存在于理论种的“钻石双胞胎”物质，并将其命名为古希腊神话中斯巴达王后产下的孪生兄弟中的弟弟-Pollux。
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2120160119
01研究亮点
- “钻石双胞胎（Pollux）”是通过化学合成引入的。 Pollux是一种新物质，具有与金刚石一样的“完美对称性”和“强各向异性”，也具有独特的“手性”，但迄今为止它一直是一种理论和想象的物质。
- 这项研究首次合成“Pollux 的最小笼形单元”。
- 化学合成揭示了Pollux特有的“手性”特征。
02研究概要
【背景】
钻石的结构之美吸引了许多科学家的关注。例如，金刚石的最小笼形单元被称为金刚烷，它在1905/1924年被理论预测，1933年从原油中分离出来，1941年首次实现化学合成，1957年建立了简单的质量合成方法。金刚石结构的美直到最近才在数学上被阐明，并提出三维空间是一种充满碳原子的材料，使其具有“完美对称”和“强各向同性”的增加。从阐明这种“完全对称”和“强各向同性”的数学方法来看，除了金刚石之外，还有一种具有“完全对称”和“强各向同性”的碳质物质，它被称为“钻石双胞胎”（在2008年被提出）。事实上，这种梦幻新物质“钻石双胞胎”的独特网络结构由来已久，自1932年首次提出以来，经常成为理论研究的主题，并被赋予各种名称。它获得广泛关注的原因之一是存在钻石中没有的独特“手性”。
【结果与讨论】
然而，直到现在，“由碳制成的钻石的孪生兄弟”都是理论和想象的物质，它们独特的网络结构从未作为可拾取的真实物质存在。本文中，研究人员成功地化学合成了这个“钻石孪生兄弟”的最小笼单元（图1）。研究小组将“钻石双胞胎”物质和其最小笼形单元分别命名为pollux和polluxene。在这项研究中，研究人员构思了一种新设计，其中苯环放置在笼形结构的14个顶点处。课题组通过连接顶端14个苯环和15个C–C键，成功化学合成了polluxene（图3）。在该合成中，利用了称为芳香族偶联反应的三种反应，但通过利用“来自日本”的偶联反应，实现了一种简单有效的合成方法。在这项研究中，他们还成功解开了pollux-polluxene “手性”的秘密。课题组分别综合了polluxene的“无手性事物”和“有手性事物”，并进一步进行了理论和数学分析。结果发现pollux-polluxene的结构具有非常复杂的特征异构，可能的最小笼形单元结构多达5600种。然后，设计了一种固定手性的方法，化学合成了两种具有镜像关系的手性物质，并成功地将每种手性物质分离。这次，通过化学合成实现了虚构物质“Pollux”和“Polluxene”，有望为未来纳米碳材料的发展做出贡献。特别是，作为手性材料，由于存在复杂的立体异构体和手性，因此预计会受到更多关注。
本研究由东京大学完成；第一作者为Toshiya M. Fukunaga，通讯作者为磯部寛之（HiroyukiIsobe）教授。本文受到日本文部省JSPS科研費经费支持。
03作者介绍
磯部寛之（HiroyukiIsobe），东京大学理学研究科教授。Isobe教授致力于纳米和有机机能材料的基础研究，是有机结构化学研究领域的知名学者。曾获2008年日本文部科学大臣奖，2016年日本化学会学术奖和2017年井上学术奖等重大奖项； 在Science，Nature系例，PNAS，JACS和Angwan. Chem.等国际知名科学杂志发表研究型论文140余篇。其研究成果被引用近7000次，其中单篇最高引用数达770余次，h指数为44 (2022/03/19/,Publons)。
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