[科普中国]-笼状化合物

笼状化合物(cage compound)是指具有三维结构，且为中空、笼状大分子的统称。 笼状化合物因其独特的结构，一直是化学、物理、医学以及材料科学等诸多领域共同的研究热点。它极大丰富和提高了科学理论，同时显示出巨大的潜在应用前景。

简介含义包合物按照其主体内部空间的形状可以分为两类。一类主体分子内的空间是长的管道或隧道形状的包合物，另一类主体分子内的空间是完全闭合的，被形象地称为笼形化合物或笼状化合物。例如，三分子氢醌通过氢键相互结合在一起，形成闭合的笼状结构。其空间大小刚可容纳一分子甲醇，将其包合在内，此时称前者为主体，后者为客体。

应用展望具有包合作用的环糊精已为大家所熟知，并已有较多的报道和研究。但对笼状化合物的研究刚起步，在纺织印染方面的应用和研究也鲜有报道 。仅有谢孔良等研究将笼状结构化合物引入到带氟碳链段的聚合物复合材料中，用于织物的防沾色处理 。这类带笼状结构的聚合物可以捕捉阴离子染料分子，形成稳定的络合物。1

常见的笼状化合物笼状磷酸酯类化合物1960年，Verkade等第一次合成了具有新颖结构的季戊四醇双环笼状磷酸酯(PEPA)。由于其分子具有高度对称的笼状结构而引起了人们极大的兴趣 。20世纪80年代初，Halpern等首先将这类笼状磷酸酯用于聚烯烃的阻燃。此后，这类化合物作为一种新型的膨胀型阻燃剂在阻燃材料中的应用和研究得到了广泛的重视。

笼状磷酸酯类化合物以其独特的笼状结构和优异的热稳定性成为膨胀型阻燃剂(IFR)中的佼佼者。 膨胀型阻燃体系一般由碳源、酸源及气源组成：碳源一般是含碳丰富的多官能团化合物；酸源是在加热条件下能释放无机酸的化合物，其主要作用是促进多羟基化合物脱水炭化；气源是受热分解放出大量无毒并能灭火的气体， 同时发生膨胀并形成海绵状细泡结构的化合物。 商品化的膨胀型阻燃剂大多是混合型膨胀型阻燃剂。它是由个别的碳源、酸源及气源组成的混合。三组分的比例不易控制，而且具有易吸潮、热稳定性差、 添加量大、与聚合物难相容。以及相态分布不均匀等缺点 但在笼状磷酸酯化合物中。磷原子、碳原子及氮子等集中于同一个笼状的分子结构中，其热稳定性良好。笼状磷酸酯类化合物作为阻燃整理剂仅限于塑料等高分子材料，而且仅有少数的笼状磷酸酯类化合物阻燃剂在市场上。

笼状碳1970年，日本科学家小泽预言，碳元素可能会有除人们熟知的六方晶系(如石墨)和立方晶系(如金刚石)之外的第3种同素异形体。1985年，美国Rice大学的Kroto HW、Sma11evRE和CurtRFJr合成出了以C60为代表的全新的笼状碳。C60 分子是具有类似拱形建筑的封闭笼状结构。该结构被称为富勒烯。富勒烯可以看作是一个截去顶角的正二十面体。因为酷似足球，所以又称为足球烯 其内腔中可容纳一些原子、离子或团簇分子。之后又相继发现了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94等纯碳组成的分子，它们均属于富勒烯类。金属富勒烯包合物既具有金属原子的性质，又具有富勒烯的性质。这赋予了其特殊的物理和化学性质，如超导、磁性、光学、催化性等。

富勒烯具有分子筛的性能，由此可开发出笼状烯分子的一系列用途。如依据它对气体的选择性吸收，可用来净化空气。或利用它对离子的吸附能力，可应用于纺织印染废水的处理以及应用于织物的各种缓释性功能整理等。 美国已经有“有选择的分子筛富勒烯”的专利。

瓜环瓜环是继笼状磷酸酯和富勒烯之后备受瞩目的另一类新型笼状化合物。瓜环是一类具有大环空腔、两端开口的笼状化合物。因其貌似南瓜而得名 通常简写成CB[n]，其中CB代表瓜环，n代表瓜环中苷脲的个数。例如，CB[6]是由6个苷脲聚合而成，简称六元瓜环。瓜环是由多个苷脲单体构成的笼状化合物。这种笼状结构具有疏水性，可以容纳各种分子的疏水性部分或有机分子。 瓜环的两端分别分布着与构成瓜环单体数相同的羰基氧原子， 同时笼壁上还有4倍于单元结构数目的氮原子。羰基氧原子具有亲水性，可以与金属离子等官能团发生相互作用。不同聚合度的瓜环内腹空腔以及端口口径是不同的，可以与大小不同的分子和离子相互作用形成高选择性和稳定性的配合物，从而在超分子化学中有着极其重要的作用。

瓜环不仅能容纳尺度合适的分子或离子，还可通过配位键、氢键等不同形式的相互作用与其他分子或离子等质点结合 。可以预测，瓜环的这些性质，使其在治理环境污染，特别是水体的重金属污染、有机毒物污染和大气污染的净化方面，以及药物缓释、痕量元素的鉴别和检测等领域都会有更突出的表现。2

本词条内容贡献者为:

陈铁桥 - 副教授 - 湖南大学