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世界上最大的分子有多大?由多少个原子组成?

13 10月 , 2019  

塑料革命 呼之欲出 化学家探索下一代聚合物新极限

问:世界上最大的分子有多大?由多少个原子组成?

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图片来源:Nik Spencer/Nature

以前聚苯乙烯被认为是人工合成的最大单分子。它的一个分子可以多达4000万个氢原子。

赫尔曼:施陶丁格是一位和平主义者,但这一战他必须胜利。1920年,这位德国化学家提出聚合物(包括橡胶和纤维素在内的广泛化合物)由类似的小分子长链构成,这些小分子由牢固的化学键相连接。但绝大多数同行却认为这种观点没有任何合理性,并认为聚合物仅是小分子的松散集合。施陶丁格拒绝让步,从而引发了长达10年的争议。

在实验室很难制造更大的分子,因为当你达到一定的极限时,它们会断裂。

最终,实验室数据证明他是对的,这使他获得了1953年诺贝尔化学奖。现在,合成聚合物已经无处不在:去年,全球生产的人工聚合物约为3亿吨。如今,从服装、颜料和包装到给药、3D打印以及自我愈合材料,施陶丁格假设的分子链已经进入了现代生活的方方面面。基于聚合物的复合材料甚至构成了波音公司最新客机“梦幻客机”787的一半材料。

然而,2011年,迪特·施吕特和他在苏黎世瑞士联邦理工学院的同事合成了一种多达2亿氢原子的人造分子。它叫做PG5。这种分子非常大,跨越10纳米,有很多键,可以将其他物质(如药物)隐藏在里面。

那么,聚合物下一步将走向何方?近日,美国国家科学基金会组织了10年一次的盛会,设法观察正在出现哪些新领域,它或可对该问题作出一些回答。

这必须通过获取一个碳主链并向其中添加其他分子和原子来完成。大约用了170000个这样的新键来创造这种巨大的树状分子。

“总体的趋势是聚合物的应用将会继续扩张到传统上它们并未发挥作用的领域。”明尼波利斯明尼苏达大学分子化学家、《大分子》期刊编辑Tim
Lodge说。这种扩张一直以来受到各领域聚合物科学发展的驱动。“现在,几乎每个化学系都有聚合物研究的员工。”他说,聚合物前沿领域的研究日益呈现跨学科性质。

被称为PG5的分子是最大的合成分子有一个稳定而明确的形式。类似的结构存在于自然界中,但它们很难复制,因为它们在创造过程中会分解。不管环境如何,未来的分子物体都需要保持它们的结构,PG5是朝着这个方向迈出的一步。它的结构类似于烟草病毒,在各种条件下都能保持杆状结构——例如,它能抵抗表面变平。

研究人员掌握的制作聚合物链化学结构的技术越来越多,但是他们经常不能预测生产的聚合物是否拥有膜或是给药系统所需要的专门特征。克服这些挑战将需要对聚合物化学结构如何影响从纳米到米等各个层面的物理特征有更深入的了解。

PG5直径为10纳米,多达2亿个氢原子。这比以前的记录保持者聚苯乙烯聚合物大得多,聚苯乙烯聚合物只有4000万个氢原子。然而,它只是脱氧核糖核酸分子量的一小部分。

聚合物存在于各个地方,这也正是问题所在。“我们日常生活中使用的大多数聚合物来自于石油产物,它们很耐用,但其废弃物也会持久存在。”明尼苏达大学可持续聚合物中心主任Marc
Hillmyer说。据悉,86%的塑料包装都在一次使用后被丢弃,使水道和填埋场积聚了大量塑料垃圾,释放出的污染物危及野生动物生存。

研究者描述了苏黎世瑞士联邦理工学院的研究人员如何构建PG5的分子,在碳氢骨架上添加苯和氮分支。合成整个分子需要170000个反应键,结果是一个折叠的树状结构。科学家说PG5可以将药物保存在其众多的分支中,这是朝着分子合成迈出的一步,不管它们所处的环境如何,PG5分子都能保持它们的形态。

这正是过去10年可再生资源和易于生物降解的聚合物研究热潮爆发的原因。目前,市场上已经可以看到基于天然淀粉的聚合物,此外还包括由丙交酯或乳酸加工的合成聚交酯,后者可见于茶叶袋和医疗埋植体。

一、人工合成的高分子

但是,可持续聚合物占有的整体塑料市场份额不到10%,Hillmyer说。其中的一个障碍是它们的成本过高;另一个问题是天然淀粉的单分子体构建模块比石油化石氢碳化合物含有更多的氧原子。这会影响聚合物的特征,如使材料变硬,很难直接替换价格低廉、灵活的塑料,如聚苯乙烯和聚乙烯。

目前公认的最大的人工合成高分子叫做PG5,直径约10纳米,结构式如下:

其中的一个选择是通过将其与传统聚合物混合,强化PLA等环境可持续性聚合物。但这种方式有着明显的缺点,比如让一些塑料的透明度降低。CSP研究人员通过在其中加入5%的一种低价石油聚合物(含有一些易溶于水的成分)克服了这一问题。这些添加的物质形成了球形的结构,可使PLA的耐用性显著提高,同时不降低其透明度。

PG5分子里有1500万个碳原子和4000万个氢原子,分子量高达2亿,化学家通过了17万部化学反应才得到这个大分子。

Hillmyer的团队还制作了一种部分上可回收的聚氨酯泡沫塑料,该塑料可用于绝缘体、座垫以及垫圈等大量产品。这种聚氨酯塑料的成分包括一种叫作聚酯的低成本聚合物,该聚合物以经过编辑的细菌单分子为基础。

在这之前的世界纪录是聚苯乙烯高分子,分子量为4000万。

将这种泡沫塑料加热到200℃,就能使聚氨酯分解,萃取出的单体分子可重新利用。然而,这些可持续性的聚合物能否商业化仍要拭目以待。“很多时候,最大的挑战就是大规模生产,这需要有经济上的优势。”Hillmyer说。

二、生物体内的大分子

在这个混合物构成的世界中,聚合物能够恢复一定秩序。聚合物膜已经能够用作分子“筛子”分离气体、海水脱盐以及让燃料细胞内的分子保持隔离。它们在未来将会有更大影响,Lodge说。“有很多问题都能够通过更好的膜得到解决。”

PG5和生物体内的最大分子DNA相比还是相形见绌。一个DNA分子大致上有2.47亿碱基对,或者说大约150亿个原子分裂在双螺旋结构的两个分子上。有些特殊的DNA尤其大,在小麦中,有一个DNA分子中竟然包括将近10亿个碱基,这个分子量已经接近一万亿了。


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