分子系 陳秀慧副教授

相信大家都聽過可以客製化服裝、各種形形色色的商品甚或房屋，只要想得出來或畫的出來，以目前科技的進步，應該都不是太困難的事。但是，是否有聽說過客製化分子結構。看得見的物品以科學的尺規來看被定義為『巨觀(macroscopy)』；而分子則是為『微觀(microscopy)』等級，無法以肉眼直接觀察，分子便是『奈米級』，相信大家對於奈米的定義並不陌生；簡單地說，就是將台灣島縮小為十億分之一(part per billion)，大小約和一粒鹽差不多；原子平均直徑約0.2奈米，去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid，縮寫為DNA) 平均直徑約2.5奈米，生物細胞則為1000奈米，打針時的針孔約一百萬奈米，說了這麼多，重點就是『分子』很小，以佛家用語來說便是如『塵』。當然也不能用肉眼看的到，竟然看不到?那要如何客製化?相信大家可以感受到其難度。

許多的科學家便是從事於設計及合成不同的有機、無機分子，並賦予其功能及特性。舉幾個分子設計有名且有趣的例子，[1-2] 萊斯大學的詹姆斯·托爾(James M. Tour)等人，為了讓學生覺得分子設計及合成的有趣，非僅局限於論文發表，於2003年發表於有機化學重要的刊物J. Org. Chem.中，文章中並沒有任何創新的合成方法或是任何複雜的反應，僅以一個有機反應中常見的薗頭耦合反應(Sonogashira coupling reaction)貫穿文章全文，文章中將1,3-二氧戊環(1,3-dioxolane)替換成其他合適的芳香環或是環烷，合成出許多不同種類的奈米小人(NanoKids)：NanoAthlete（奈米運動員）、NanoPilgrim（奈米朝聖者）、NanoGreenBeret（奈米綠色貝雷帽）等等，如圖1(a)。甚至在腳上接上硫醇官能團使這些分子可以站在金的表面，為觀眾帶來精彩的分子尬舞(圖1(b))。如果說以科學的角度來看這樣的文章，或許大家會有一個疑問，這樣的文章對於人類科學的發展有何助益?甚至可以現在年輕人的角度來看便是所謂的”廢文”或是”垃圾文”，但是當你瀏覽該文章的頁面，截至2021年4月已經超過4,4000以上的”點擊率”，當然以大家廣為熟知的YouTube最受歡迎影片的破億點擊率來說是遙不可及，但是一個專業的科學文章來說，已無非是個”人氣文章”了，其中的涵義便不是”科學的意義”而是”科學的樂趣”。日本名城大學坂井健男(Takeo Sakai)教授也合成了帶有1,3-二氧戊環”頭部”以氰基(cyano)當作手和腳的奈米小人，並稱之為NamoGoblin，在乙縮醛的甲醇分解(methanolysis acetals)反應中表現出催化的活性，反應的過程中還成功將Nanokid的乙醛頭部進行轉化，如圖2所示。[3]

於本研究室中也設計多種不同形狀多環芳香烴碳氫化合物(polycyclic aromatic hydrocarbons，簡稱PAHs)，此類型材料不管是在薄膜(thin films)或單晶(single crystals)狀態，皆已被證實具良好之場效遷移率(field-effect mobility)，因上、下分子透過靜電吸引力(electrostatic)、分子間氫鍵以及π-π作用力等非共價鍵作用力，易堆疊形成具筒柱(columnar)排列之超分子結構(superstructures)，可應用於有機電子元件，如非線性光學元件(nonlinear optics)、發光二極體(light-emitting diodes)、場效電晶體(field-effect transistors，簡稱FETs)、和太陽能電池(solar cells)，這類型材料多為平面結構，分子與分子間的距離越近，電子可以達到最佳傳遞效果。換個角度來想，當分子間的距離靠近到3.5 Å，分子間會因為排斥而分開，那如何克服這樣的距離，便是一個有趣的課題。於是，本研究室便設計一奈米螺旋分子結構如圖3(a)，分子間堆疊以螺旋結構互補方式進行，嘗試突破分子間於非共價作用力可靠近的最近距離，實驗結果獲得最緊密距離為3.0 Å。最後，更進一步驗證這樣的分子設計可以獲得更高導電特性勝於平面結構。但是這個螺旋結構合成步驟則是超過40個合成步驟。一樣以科學角度來看，不見得是一個聰明的設計。但是，最後，筆者想要分享的是科學可以是工作，也可以是一門有趣的藝術，當你可以隨心設計和控制分子或許可以找到其中的樂趣。

圖1、(a)奈米小人分子結構；(b)奈米舞群。^[1-2]

圖2、日本名城大學坂井健男教授團隊所設計的奈米小人。^[3]

圖3、本研究室所開發之奈米螺旋分子結構。

參考資料：

[1] Chanteau, S. H.; Tour, J. M. Synthesis of Anthropomorphic Molecules: The NanoPutians. J. Org. Chem. 2003, 68, 8750-8766.

[2] Chanteau, S. H.; Ruths, T.; Tour, J. M. Arts and Sciences Unite in Nanoput: Communicating Synthesis and the Nanoscale to the Layperson. J. Chem. Ed. 2003, 80, 395-400.

[3] Sakai, T.; Nagao, Y.; Nakamura, Y.; Mori, Y. Methanolysis of the Cyclic Acetal Function of NanoKid Catalyzed by NanoGoblin, the Pyridinium Salt of Tetracyanocyclopentadienide. ACS Omega 2017, 2, 8543-8549.