诺奖结果，再获进步：Leigh组Science报道化学燃料驱动的分子马达和分子泵

分子机器获得的2016年诺贝尔化学奖，被不少人看作是近年来少有的颁给“纯化学”研究的诺贝尔化学奖。能击败当时的其他获奖大热门，从另一个侧面说明人造分子机器有希望和潜力改变人们的现实生活。

且不谈其他，人造分子机器想要缩短与实用的距离，还需要不断进步。分子泵和分子马达作为两种重要的分子机器，需要实现的一个重要目标就是能够实现受控的定向运动，类似自然界生物系统中的生物分子马达那样。2016诺奖得主之一Ben Feringa教授开创的大位阻烯分子马达能够定向运动，但是此类分子机器只能进行旋转运动，而不能进行线性运动；另外，该系统大多需要光能或热能的驱动，不像是生物系统中的分子马达那样可以高效地使用化学分子（如三磷酸腺苷）作为“燃料”。

生物分子马达可催化化学燃料的水解，并使用释放的能量通过信息棘轮（information ratchet）机制引导运动。近日，英国曼彻斯特大学的David Leigh教授（点击查看介绍）团队提出了基于溶液酸碱性变化的另一类能量棘轮（energy ratchet）机制，使用化学燃料，可以驱动旋转运动和线性运动的人造分子机器，在一种机制下构建了分子马达和分子泵。相关成果近期发表于Science 杂志。（这里为David Leigh教授打个广告，他在华东师范大学课题组正在招聘博士后，年薪30万）

本文提出的两种转动分子马达及一种线性运动分子泵。图片来源: Johannes Richers & David Leigh Group

文中所述的一种转动分子马达为下图中的[2]索烃1。[2]索烃1•H⁺由24步合成得到，包括一个稍大的大环分子（作为“运行轨道”）和一个稍小的冠醚分子（在“运行轨道”上移动）。研究者首先进行的是[2]索烃的分步运动。在酸性条件下，1•H⁺的冠醚环（红色）位于“运行轨道”上质子化的二苄铵结合位点（蓝色）处，并被酸性下稳定的二硫化物位阻基团“栏杆”（紫色）所阻挡。当加入过量的三乙胺（Et₃N）后，二苄铵位点去质子化成二苄胺（绿色），使得“运行轨道”上的三唑鎓基团处（橘黄色）成为冠醚环热力学更稳定的结合位点；而且，在此碱性条件下，通过硫醇2介导的二硫化物3与“运行轨道”上二硫化物“栏杆”的可逆交换，紫色“栏杆”打开，冠醚环可以顺利地移动到三唑鎓结合位点；同时，在此碱性条件下，“运行轨道”上的另一处“栏杆”——腙位阻基团（黄绿色）较为稳定，阻挡冠醚环继续向这个方向运动。此时再加入三氟乙酸（CF₃CO₂H）至溶液呈酸性，二苄胺位点被重新质子化成二苄铵，再次成为冠醚环热力学更稳定的结合位点；与此同时酰肼4与腙位阻基团发生可逆交换，黄绿色“栏杆”打开，冠醚环移动到二苄铵结合位点，并被酸性下稳定的紫色“栏杆”阻挡，从而确保了运动的单向性。到此，冠醚环完成了定向的360°旋转。实验数据表明，一个循环中大约93%的冠醚可以完成这样的旋转运动。

[2]索烃1/1•H⁺分子马达旋转运动的分布操作过程。图片来源：Science

在合成[2]索烃（1）的同时，研究人员分离出了[3]索烃5。不同的是，[3]索烃5含有一个稍大的大环分子作为“运行轨道”和两个稍小的冠醚分子作为运动元件，相对应的结合位点以及位阻基团都多了一倍。[3]索烃5/5•2H⁺分子马达旋转运动的原理与[2]索烃1/1•H⁺分子马达相同，两个冠醚分子都可完成定向的360°旋转。

[3]索烃5/5•2H⁺分子马达旋转运动的分步操作过程。图片来源：Science

取得这些成果之后，研究者们并未满足，他们觉得这种分布操作需要加入过量的酸和碱，从而产生副产物盐，“化学燃料”浪费了不少。那么有没有更经济更省事的方案呢？答案是“有”！

在前人研究的启发下，研究者们修改了“燃料配方”，用三氯乙酸（Cl₃CCO₂H）代替了三氟乙酸。在三乙胺的催化下，三氯乙酸可以在室温下高效地发生脱羧反应，降解生成氯仿和二氧化碳。如果初始状态下三氯乙酸过量，足以质子化分子马达中的二苄胺位点并催化腙位阻基团的交换，完成180°的旋转；随后三乙胺催化三氯乙酸的降解，逐渐将溶液环境从酸性变为碱性，二苄铵位点去质子化并催化二硫化物位阻基团的交换，完成剩下的180°的旋转。这就意味着，加一次燃料就可以完成整个360°的旋转过程，不用分步，不用再加化合物，同时燃料的无谓消耗减少，效率提高。

图片来源：David Leigh Group

实验结果证明，三氯乙酸：三乙胺：[2]索烃1的比例为80:19:1时，在室温下需要15个小时完成前半圈运动，从1变成了1•H⁺，随后再过2个小时，三氯乙酸耗尽，再完成剩下的半圈运动。而温度升高到60 ℃时，整个运动过程仅需1小时。而且，继续添加燃料，分子机器依然可以完成360°的旋转运动。不过，随着循环次数增加，加入燃料导致体系总体积增加，稀释效应会导致二硫化物和腙位阻基团的交换变慢，整个系统的效率会变低。另外，2-甲基-2-丁烯的加入有助于清除氯仿分解产生的少量副产物以提高效率。

[2]索烃1/1•H⁺分子马达加燃料一次（A）和四次（B）的运动过程。图片来源：Science

最后，基于同样的原理，作者设计合成了线性运动分子马达（分子泵）6。在加入一次三氯乙酸燃料后，可以在线型轴上套上两个冠醚环生成[3]索烃7；再多加几次燃料，可生成带四个冠醚环的[5]索烃8。

线性运动分子泵6的循环操作过程。图片来源：Science

图片来源：David Leigh Group

——总结——

David Leigh教授团队实现了利用化学燃料（三氯乙酸）驱动人造分子马达来完成定向旋转以及线性运动，其操作简单、高效，副产物对于体系运转几乎没有明显的影响。而且，这种能量棘轮机制可用于设计由化学能驱动的各种分子机器，以完成更为复杂的任务。另外，笔者认为，要是分子马达的合成再简单点就更好了。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Rotary and linear molecular motors driven by pulses of a chemical fuel

Science, 2017, 358, 340-343, DOI: 10.1126/science.aao1377

导师介绍

David Leigh

http://www.x-mol.com/university/faculty/2423

参考资料：

http://www.catenane.net/pages/2017_chemical_fuelled_motor.html

（本文由PhillyEM供稿）