《The nature of the mechanical bond: from molecules to machines》书评

华南理工大学化学与化工学院 孙志红

一、概述

《The nature of the mechanical bond: from molecules to machines》由John Wiley & Sons出版社出版于2018年，由Carson J. Bruns教授和J. Fraser Stoddart教授合著。Bruns教授是加州大学伯克利分校化学学院的研究员，长期从事机械键相关方向的研究；Stoddart教授则是超分子化学和纳米科学领域的先驱，他基于分子机械互锁结构开创了人工合成分子机器的全新范式，将分子机器的概念拓展到各个应用领域，并凭借在分子机器领域的突破性贡献与Jean Pierre Sauvage和Ben Feringa共同荣获2016年诺贝尔化学奖。本书全面系统地论述了分子机械键，涵盖其历史起源、分子层面的作用机制，以及基于机械键的分子机器的功能化应用，既适合从事机械键研究的专业人士参考，也能为相关领域的初学者提供清晰的入门指引。

二、内容简介

本书分为三个部分，第一部分介绍了机械键的定义、特点和历史起源，第二部分介绍了机械键的构筑方法，第三部分介绍了通过机械键构筑新型材料及分子机器的应用。各章具体内容如下：

第一部分：介绍机械键

第一章 机械键简介

本章首先介绍了机械键的定义。机械键是一种物理键，不同于原子或原子团之间的化学键，机械键存在于被称为“组件”的分子实体之间，因此可以定义为两个或多个组件之间的空间互锁——若不打破或者扭转原子间的化学键，这种作用力就无法消除。具有机械键的分子称为机械互锁分子，包括轮烷和索烃，它们通过类似超分子作用力的机械键相互结合。索烃是具有两个或者多个环组件组成的分子，而轮烷指的是包含至少一个环和一个线形部分，轴穿过环，两端以塞子状位阻基团封端，防止环脱落，形成一个具有动态可滑动特性的哑铃状造型。本章列举了自然界、艺术领域和日常生活中普遍存在的机械键的例子，非常直观地展示了各种机械键的拓扑和结构美学。本章最后简述了机械立体化学的演变。

第二部分 制备机械键

第二章 制备机械键的基本原理

本章主要介绍了机械键的制备方法，包括统计合成法，定向合成，模板导向合成法和活性模板合成法。其中，模板导向合成常用的模板包括金属、π供体/π受体、氢键、卤素和离子模板，活性模板包括过渡金属离子如铜、锌、钯和镍等离子配位驱动的活性模板。

第三章 热力学控制下的机械键合成

本章首先介绍了假轮烷的概念和机械分子受各种非共价键作用的滑移。接着，本章介绍了通过自组装形成有机金属机械互锁分子，并着重介绍了通过常见可逆反应形成机械键。

第三部分 培养机械键

第四章 具有机械键的分子拓扑和结构

本章图文并茂地介绍了轮烷和索烃的拓扑结构，索烃拓扑包括主要连接、复合连接、多环形索烃和共价桥连索烃结构，轮烷拓扑主要介绍了树枝状和共价桥连轮烷。此外，本章还列举了紫衫烷类、环中环、折叠烷和编织聚合物缠结等其它具有机械键的结构。

第五章 机械键的立体化学

本章主要介绍了动态机械立体异构和静态机械立体异构。动态机械立体异构主要包括平移和绕周、旋转和摇摆等，静态机械立体异构主要包括取向、测序、机械手性、机械立体异构和拓扑立体异构。

第六章 具有机械键的分子开关和机器

本章详细介绍了具有机械键的分子开关和机器的关键概念和驱动方式。如，分子开关中一个关键概念是双稳定性，即分子存在能量较低的两个构象，一个是全域能量最低的基态构象，一个是局部能量最低但全域能量相对较高的介稳构象。控制两个构象相互转变的关键在于合理设计分子机械键以实现分子开关的刺激响应性。目前分子开关的驱动源可以是氧化还原驱动、光电驱动、酸/碱驱动、阳离子触发驱动、阴离子触发驱动、分子识别驱动、共价反应驱动、溶剂驱动、压力驱动、电场驱动等。通过刺激响应的分子开关，可以构筑机械分子马达和机器。

三、编写特点

本书图文并茂，包含了许多高质量的插图，有助于分子结构以及化学和动力学过程的可视化。同时，附录收录了机械互锁研究相关的封面文章的期刊封面，侧面印证了机械键研究方向的重要性。本书内容全面，参考文献详实，具有很强时效性。

四、总体评价

总体而言，本书系统整合了机械键的化学原理与分子机器设计策略，兼具基础性与前瞻性，对分子拓扑学的工作原理和分子机器的设计合成表述非常清晰。对机械互锁分子感兴趣的研究人员来说，本书有助于读者开阔视野，激发研究兴趣，是超分子化学领域非常具有影响力的一本好书。

本馆索书号：O641.1/B899

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