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中山大学赵德鹏/诺奖得主Ben L. Feringa联手Nature：实现360o单向旋转的分子马达

发动机作为一种将化学能转化为机械能的设备在我们的生活中随处可见，而生物体本身也是由各类由生物大分子组成的分子马达驱动的，包括肌肉的收缩、细胞的分裂、物质的输送等等。生物体的系统平衡是依靠着ATP向ADP转化所释放的化学能所维持的，受启发于生物体的这种运作机制，各种受到化学能驱动的分子马达被发现。但是由于分子的布朗运动，导致可以单向旋转的分子马达难以实现。但在1999年，Ben L. Feringa团队利用一种手性螺旋烯烃，通过紫外光驱动双肩的顺-反翻转以及温度控制的螺旋异构体的变化，首次实现了光驱动的单向旋转的分子马达。而T. Ross Kelly团队则在同年实现了三叠烯类分子化学能驱动的120 o单向旋转。在这些先驱工作之后，尽管有一系列不同结构的化学能驱动的分子发动机被研发出来，但是压制分子布朗运动并实现ATP酶类似的自主单向旋转的分子马达仍然十分困难。

Ben L. Feringa 团队和 T. Ross Kelly 团队设计的分子马达

近期，中山大学赵德鹏团队和格罗宁根大学诺贝尔化学奖得主Ben L. Feringa团队在这一领域实现了突破。他们利用联苯分子之间的单间作为转轴，以碳二亚胺向脲转化所释放的化学能作为旋转的能量供给，实现了可以360o单向旋转化学能驱动的分子马达。该工作以题为“Intrinsically unidirectional chemically fuelled rotary molecular motors”的文章发表于 Nature上。

联苯类分子马达的旋转过程

这个分子马达的360 o旋转由六个独立的步骤组成，包括两步闭环步骤，两步苯环反转步骤和两步开环反应步骤组成。如果仅仅是联苯分子围绕单键的旋转，应该是无规律的而不是定向的。但是赵德鹏团队通过精心设计联苯的取代基，实现了这一分子马达的单向旋转。这一类联苯型的分子能在化学能的驱动下实现单向旋转的主要条件有两个：第一，联苯的邻位上都有取代基团，这就限制了联苯分子围绕单键旋转的无规则运动；第二，通过设计反应条件，使得侧链的开环水解反应的反应速率减慢，使得反应的速率常数低于联苯在侧链环形成以后的发生苯环反转的速率。使得水解反应在苯环发生旋转之后，保证了联苯类分子发动机的单向旋转。

联苯类分子发动机结构优化

从热力学的角度上来看，苯环翻转前后的水解产物的稳定性是一样的。因此为了实现第二个条件，需要对联苯分子马达的取代基团进行设计，使得发生侧链成环的联苯分子发生苯环翻转后的水解产物在动力学上更加占有优势，即所需要跨越的能垒更加低，从而保证苯环翻转后的开环水解产物是优势产物。通过设计一系列联苯分子的侧基，最终确定motor-3分子可以保证苯环翻转后的开环水解产物是优势产物。

分子马达360o旋转验证

在优化结构后，由于分子马达每旋转180 o的时候，分子结构是一样的，因此通过核磁谱图是无法证明分子发生了360 o的旋转。为了验证分子的360 o旋转，通过设计间位溴代的联苯分子马达，赵德鹏团队通过观察每次旋转的核磁差异，证明了通过他们设计的联苯马达是实现360 o单向旋转。

小结：赵德鹏团队联手诺奖得主Ben L. Feringa通过控制反应的动力学，实现一种联苯结构的分子马达实现了360 o单向旋转。虽然实现该分子马达的360 o旋转需要通过六个不连续的步骤，但是这一思路对于设计单方向360 o旋转的分子马达具有指导性意义。

来源：高分子科学前沿

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