深度解读2016化学诺奖成果：超分子化学以及分子机器

大家都知道，今年的诺贝尔化学奖颁发给了法国斯特拉斯堡大学（University of Strasbourg）的Jean-Pierre Sauvage、美国西北大学（Northwestern University）的Sir J. Fraser Stoddart、荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）的Bernard L. Feringa，以表彰他们在分子机器（molecular machines）领域的贡献，X-MOL之前也做过快讯报道（点击阅读相关）。很多人认为这是超分子化学继1987年后第二次拿诺奖，笔者作为一名超分子化学领域工作者，第一反应当然是对这种说法持肯定态度。

图片来源：RSC; Univ. Groningen; Vincent Kessler/REUTERS

但是仔细推敲想来，这种说法并不完全正确。如果你打开诺贝尔奖的官网，点开今年化学奖的Scientific Background（一份长达16页的pdf文件），输入“supramolecular”进行搜索，你会发现正文中一次都没有提到超分子化学，唯一的一次是在引用文献里。那么问题来了，分子机器跟超分子化学到底有什么关系呢？是什么让超分子化学家们如此兴奋激动呢？

超分子化学的研究范畴非常广泛，但还没有一个完整、准确的定义和范畴。1987年获得诺贝尔化学奖是超分子化学发展的一个重要里程碑，当年化学诺奖的得主是Donald J. Cram、Jean-Marie Lehn和Charles J. Pedersen，他们的主要贡献是设计和合成了可以模拟生物中锁钥关系的主体分子，这些主体分子可以选择性的识别客体分子。超分子化学的概念由Jean-Marie Lehn提出，并将其定义为“超越分子层次的化学”（有很多人误解超分子是指分子量大的分子，这里做个澄清~~）。也就是说，超分子化学不是研究某一个单一的分子，而是研究的两个及以上的分子之间的行为。这些分子通过非共价键结合在一起，比如氢键、静电作用、π-π作用、离子-π作用、疏水作用、配位键等等。

图片来源：The Nobel Foundation

传统的超分子化学主要研究大环化学，其中大环包括冠醚、环糊精、杯芳烃、卟啉与环蕃、大环多胺、瓜环或葫环联脲等等。在分子机器领域，有两类分子体系极其常见，索烃（catenane）和轮烷（rotaxane）。索烃是指两个或两个以上的大环套在一起，除非环分子内的共价键断开，否则互锁的环不能够分开（如下图，上）。轮烷是指由一个环状分子套在哑铃状的线型分子上，从而形成自锁的分子体系（如下图，下）。“机械键”是该领域化学家的常用名词，他们认为在索烃和轮烷中，环与环、环和线之间以机械键结合，这一类体系应归为超分子化学领域，因为他们都是研究分子与分子（环分子与环分子、环分子和线分子）之间的作用，而非某一分子的行为。Stoddart教授在去年为Supramolecular Chemistry杂志所写的序言中，也多次提到机械键与超分子化学的关系，感兴趣的读者可以前往一观（A Plat form for Change. J. Fraser Stoddart, Supramol. Chem., 2015, DOI: 10.1080/10610278.2015.1049068）。

索烃和轮烷。图片来源：The Nobel Foundation

分子机器实际上就是能进行受控运动的分子，在外界施加能量时可完成某种具体的任务，例如分子电梯、分子肌肉、分子马达（分子发动机）等。诺奖委员会认为分子机器已经使得机器小型化，并推动化学到达了一个新的维度。小型化为什么重要？稍微回顾一下计算机技术的发展历程，就应该能知道小型化非常有潜力带来一次技术革命。至于超分子化学与分子机器的关系，笔者以为貌似可以借用“剪不断，理还乱”来描述。

分子机器工作原理简介。图片来源：Nature

在今天的重头戏——深度解读2016诺贝尔化学奖开场之前，先花三四分钟来看看美国化学会（ACS）旗下的C&EN对今年化学诺奖的解读（建议在WIFI环境观看视频）。

视频来源：ACS C&EN

Jean-Pierre Sauvage与索烃

Jean-Pierre Sauvage师从1987年化学诺奖得主、超分子化学大牛Jean-Marie Lehn，Lehn合成了第一个穴状配体（cryptand），这种穴状配体有点像是一类三维立体的冠醚，可以与金属离子Na⁺、K⁺等结合，不过其比冠醚的结合能力更强，也更有选择性。这一个发现也是Jean-Marie Lehn获得诺奖的重要原因之一。

[2.2.2]cryptand结合钾离子（紫色球）。图片来源：Wikipedia

上世纪80年代，在Jean-Pierre Sauvage开始独立科研生涯后，他发现可以利用金属铜离子配位模板合成索烃（下图）。首先，在环形的冠醚中引入菲罗琳，另一个半月形的分子中也含有菲罗琳；加入铜离子后，这两个分子依靠配位作用连在一起，接着进行关环并除去铜离子便可以得到[2]索烃（[2]catenane）（Tetrahedron Lett., 1983, 24, 5095-5098）。这一发现将索烃的合成效率从原先的百分之几提高到百分之四十二。（插一句感慨，货真价实的“诺奖级”工作，当年也只是发表在TL上……）

金属铜离子配位模板合成索烃。图片来源：Tetrahedron Lett.

自此之后，具有各类拓扑形状的分子体系便层出不穷，下图为Sauvage团队合成的[3]索烃（J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 6108-6110）、三叶结（Angew. Chem. Int. Ed., 1989, 28 , 189-912）、所罗门结（J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 375-376）。当然，拓扑化学不是此次获奖的原因。

[3]catenane、三叶结、所罗门结。图片来源：JACS; Angew. Chem. Int. Ed.

Sauvage发现通过控制一价铜离子的除去和添加，可以调控环分子之间的距离。1994年，又发现当索烃中一个环含有不对称的两个配位位点时（一个含有三个吡啶环、一个含有菲罗琳），通过控制铜离子的价态，可以研究一个环绕着另外一个环旋转的现象（下图）（J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 9399-9400）。这便是非生物分子机器的第一个雏形，这也为他今年获得诺奖奠定了坚实的基础。

铜离子的氧化还原控制索烃环的旋转。图片来源：JACS

接着， Sauvage团队又发现了可以通过电化学或光化学控制的准轮烷、轮烷和索烃结构，这些发现的中心思想都是一致的，都是通过金属离子模板法合成轮烷或索烃的结构，再通过外界刺激诸如光化学或电化学或热能，使套在一起的两个分子发生位移或旋转。例如下图，钌离子的不同配位在光能的作用下控制索烃环的移动（Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2392-2395）。

光能作用下索烃环的移动。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在这一系列发现过程中，Sauvage团队的方法逐渐成熟，并有很多应用上的问题被攻克，在上世界90年代受到了很多课题组的追捧。2000年左右，他们又发现了一种菊环链的结构，分子菊链是由多个单体分子组装形成，这些单体分子一般具有一个环型（主体）和线型（客体）单元，可以通过分子间作用力自组装为环状或链状的超分子，在外界的刺激下，二聚物的两个单体可以来回穿梭，就像是肌肉的伸展和收缩一样，所以这类通过自组装形成的分子被称为“人造分子肌肉”，下图中的二维菊链结构可以收缩和伸展大约2 nm的距离（Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 3284-3287）。X-MOL前两天还报道了台湾大学邱胜贤（Sheng-Hsien Chiu）团队合成机械互锁菊链分子作为多维度人造分子肌肉（点击阅读详细），邱胜贤教授在UCLA求学时期的导师正是与Sauvage分享今年诺奖的Sir J. Fraser Stoddart。

二维菊链分子肌肉。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

Sir J. Fraser Stoddart与轮烷

如果说Jean-Pierre Sauvage是在分子机器领域跨出了第一步的话，这第二大步就是Sir J. Fraser Stoddart迈出的。1991年，Stoddart教授合成了第一个轮烷分子梭（molecular shuttle）。首先线型分子上含有两个相同富电子位点，开环的分子上含有缺电子基团，因此，在环闭合时，它就穿在了线型分子上形成[2]轮烷（[2]rotaxane）。在加热条件下，大环分子可以在线型分子上的两个位点之间来回穿梭，两端的大位阻基团可以防止环状分子脱离线型分子，并保证了不错的产率，其中大环可以在室温条件下沿着两个位点来回穿梭2000多次（J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 5131-5133）。

轮烷分子梭的合成。图片来源：JACS

Stoddart教授并没有就此止步，为了更准确的控制环状分子的位置，他对线型分子上的两个富电子位点中其中一个进行了修改，从而形成了强弱两个识别位点，这样便可以以氧化还原的方式或者pH的改变控制大环在线型分子上的落点，这便是最初的分子开关雏形（Nature, 1994, 369, 133-137）。

分子开关。图片来源：Nature

自此之后，该组便开始利用轮烷来构筑各种分子机器，诸如分子电梯、分子肌肉等等。下图便是该组设计的分子电梯，他们巧妙的构筑了一个三维立体轮烷，红色为含有三个冠醚的主体分子，蓝色和灰色代表了含有三个线型分子的客体，每个线型分子含有两个接受位点：一个铵基，另一个为双吡啶。在酸性条件下，由于【N⁺-H - -O】氢键比【C-H - -O】作用强很多，冠醚环会落在铵基上；而碱性条件下，强的【N⁺-H - -O】氢键被摧毁，所以冠醚环会移动到双吡啶上。因此，通过调节酸碱性，冠醚环可以上下两层移动大约0.7 nm的距离，这一过程所需要的力大约是200  pN （Science, 2004, 303, 1845-1849）。

分子电梯。图片来源：Science

2005年前后，Stoddart团队设计了一种[3]轮烷结构的分子肌肉，并将其链接在金薄片的表面，在外界的刺激下，两个环型分子可以收缩和伸展2.7 nm，并造成薄片的弯曲，其中产生的力大约在10 pN（J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 9745-9759）。

[3]轮烷分子肌肉。图片来源：JACS

该组还尝试制造分子级别的电子设备，例如分子逻辑门（logic gate）和存储（memory）设备。1999年，他们将轮烷单层镶嵌到电极中构成可配置的分子开关，通过检测还原电压下的电流来读取开关的状态，这些分子开关可在施加氧化电压时被打开，而分子逻辑门就是一个由多个这种分子开关组成的阵列。这些逻辑门的高低电流可以有效的分开，与基于二极管的逻辑门相比，这种设备可进行电动调控，而且可在很宽的电压范围内保持逻辑门必需的非线性性质，在性能上是一个非常大的提高（Science, 1999, 285, 391-394）。

分子逻辑门。图片来源：Science

2007年，Stoddart团队设计了轮烷分子存储（下图），分子两端的大位阻基团一个亲水一个疏水，将其接在微电子器件电极的两端，通过施加适当电压改变分子的状态就能实现在其上“读”和“写”的功能。最终制备的分子器件大概能存储160 kbit的信息，存储密度为100 Gbit/cm²（Nature, 2007, 445, 414-417）。

分子存储。图片来源：Nature

最后穿插一下，曼彻斯特大学的David Leigh教授是Stoddart的学生，在其开始独立科研生涯后，对分子机器领域也做出了卓越的贡献，没有进入今年的诺奖名单，十分可惜（Leigh教授的工作：报道一、报道二、报道三）。

Bernard L. Feringa与分子马达

诺贝尔奖表彰Bernard L. Feringa的并不是他在超分子领域的贡献，而是独立设计的首个可以单向旋转的分子马达（molecular motor），这种分子马达利用大位阻烯在光照条件下完成顺反式结构变化来实现分子级别的运动（下图，只是单一分子，并不涉及两个或多个以上分子的作用）（Nature, 1999, 401, 152-155）。最初的分子马达旋转效率并不高，随后，该组设计了好几代分子马达，于2014年他们将其旋转效率提高到每秒1200万次以上（Photochem. Photobiol. Sci., 2014, 13, 241-246）。

第一代分子马达。图片来源：Nature

随后，他们又将这种大位阻烯分子马达链接在金表面（下图），其中，上半部作为螺旋桨，下半部为固定片，中间通过双键链接，尾部连有巯基。整个分子连在金表面，在光能和热能的作用下，可以使双键进行顺反式的转化，实现了金表面光驱动单向旋转的分子螺旋桨功能（Nature, 2005, 437, 1337-1340）。

金表面的分子马达。图片来源：Nature

同样的道理，2006年，他们将分子马达连接在液晶薄膜表面，在光照的条件下，可以使液晶表面比分子马达大数千倍的物体进行旋转（Nature, 2006, 440, 163-163）。

液晶表面的分子马达。图片来源：Nature

2006年，Feringa课题组开发了一种可以使用“化学燃料”的新型分子马达系统——联芳烃分子（下图）。以单键为轴，通过对酚基转子的选择性保护/去保护以及内酯化，驱动转子相对于萘基定子转动（Science, 2005, 310, 80-82）。今年早些时候，Feringa团队还对这一系统进行了改进，通过基于有机钯催化剂的氧化还原循环完成一次完整的旋转（Nature Chem., 2016, 8, 860-866，点击阅读相关）。

使用“化学燃料”的分子马达。图片来源：Science

2011年，他们设计了汽车形状的分子（如下图），这种“纳米汽车（nanocar）”包括四个含有大位阻烯的马达分子作为“车轮”，通过控制四个马达分子的不同构象（顺反），这台纳米汽车可以在金属铜表面自由的行动（Nature, 2011, 479, 208-211）。

分子汽车。图片来源：Nature

回顾完今年诺贝尔化学奖得主的工作脉络，可能有不少人会感叹终于是“纯化学工作”得了化学诺奖，也许还有人会想，分子机器从出现概念到现在的时间不算长，在实际应用方面几乎还是空白，为什么能打败之前预测的大热门——目前地球上几乎人手一块的锂离子电池——最终问鼎今年诺奖呢？笔者窃以为，一是这些工作中的“Chemistry”足够惊艳，二是这些工作打开了一扇大门，有可能将人类的“机械文明”带入一个全新的分子维度，其中蕴含着无限的应用可能性。瓦特设计出改良蒸汽机的时候，也没有想到这台机器能带来影响人类文明进程的“工业革命”吧。

（本文由PhillyEM供稿）