分子監獄與分子膠囊

分子監獄與分子膠囊 (Carcerand and Molecular Capsule)
國立臺灣師範大學化學系博士班三年級梁家榮

過去數十年間，有機化學家們發展了相當多種天然物、藥物等化合物的合成方式。而這些有機化合物的合成，通常是經由碳−碳鍵、碳−氫鍵、以及與其他異核原子，進行 σ 鍵或 π 鍵的生成鍵和斷鍵而來。但是除了共價鍵之外，研究分子間的作用力，例如：偶極-偶極力、凡得瓦力、π 鍵 π 鍵相互作用力以及氫鍵等等，也可以因為其較弱的鍵能，產生與共價鍵不同的分子特性。以超分子自組裝 (self-assembly) 的概念要做出一種分子容器，將特定大小的分子包含在內時，分子監獄 (carcerand) 與分子膠囊 (molecular capsule) 的差別就是使用共價鍵與氫鍵的不同。分子監獄像撲滿一樣，要將內含物取出時就必須破壞其結構，有不可回復的特性。分子膠囊則是可以利用酸性或鹼性的條件控制，到適當的環境時才釋出內含物，並且是可逆的反應可以再次重新生成分子膠囊。合成出這類的分子容器，可以建構出一個受到屏蔽的空間，並且能夠捕捉特定體積的分子。在受到分子容器的保護時，也有可能可以得到在一般環境下不穩定的反應中間體，避免受到照光改變產物的構型，或被空氣中的氧氣、水氣給氧化或水解。

1987年諾貝爾化學獎得主之一Prof. D. J. Cram曾經將兩種環芳烴 (calixarene) 進行S_N2的親核取代反應 (nucleophilic substitution reaction)，經過 σ 鍵的生成和斷鍵合成出一個分子監獄，這個分子容器的空間剛好是可以容納一個銫離子的大小。分子監獄的特性是，除非使 σ 鍵發生斷鍵反應，否則被關在這個空間的內含物無法在這個分子容器的空隙中自由移動，但是分子體積較小的水分子就不會受到限制。另外還有一個類別，稱為半分子監獄 (hemicarcerand)，是在環境為室溫的情況下，與分子監獄有相同的特性，可以容納特定大小的分子。但是當環境升高溫度之後，半分子監獄可以提供足夠的空間，使被捕獲的分子得以自由進出，而回至室溫後則又無法任意進出。上述提到的分子監獄與半分子監獄的形成，都是建構在共價鍵的破壞與生成之上。

圖一 Cram經由取代反應合成的分子監獄（圖片來源：本文作者自繪）

與分子監獄相反的稱為分子膠囊，是利用氫鍵之類的非共價鍵，將多個相同的分子自組裝結合成類似球形或膠囊的形狀，也可以得到類似作用的分子容器。但是氫鍵容易被環境條件的改變而破壞，釋放出分子膠囊中的內含物。斯克里普斯研究所 (The Scripps Research Institute) 的 J. Rebek 首先合成出利用乙炔脲 (glycoluril) 衍生物形成帶有彎曲結構的單體。當兩個單體互相以氫鍵連接時，可以像網球的外層由兩片表皮所包覆一般形成空穴。這個由八個氫鍵組成的這個空間大小，剛好可以捕捉乙烷在其中。也可以藉由設計出更大的單體，再由氫鍵組合成二聚體之後，組合成各種體積大小不同的空間，以捕捉不同的分子。

圖二 由乙炔脲 (glycoluril) 衍生物形成的網球狀分子膠囊（圖片來源：本文作者自繪）

參考文獻

1. Cram, D. J.; Karbach, S.; Kim, Y. H.; Baczynskyj, L.; Kalleymeyn, G. W. Shell closure of two cavitands forms carcerand complexes with components of the medium as permanent guests.  Journal of the American Chemical Society. 1985, 107, 2575-2576.

2. Wyler, R.; de Mendoza, J.; Rebek, J., Jr. Angew. A Synthetic Cavity Assembles Through Self-Complementary Hydrogen Bonds. Angewandte Chemie International Edition in English. 1993, 32, 169.