具有多循环化学反应网络特征的光驱动自动分子机器

生物分子机器依据复杂的运行方式自动将能量转化为功能，以维持生物体的生命活动。近几十年来，科学家设计合成了不同类型的自动人造分子机器用于模仿生物机器的运行过程。然而，迄今为止，无论是光驱动的还是化学驱动的自动人造分子机器，其运行都是基于简单的单循环化学反应网络（图1）。因此，为了理解生物分子机器的复杂运行机制，设计具有多循环反应网络特征的人造分子机器具有重要意义。

图1. 该研究与其他典型自动人造分子机器的比较。

轮烷由环状组分和穿过大环空腔的哑铃状线性组分通过机械键构成，通常能对外界刺激做出响应，是一类广义的人造分子机器。四川大学袁立华教授和李晓伟研究员团队长期从事氢键芳酰胺大环的相关研究。该类大环具有氢键预组织的共轭π平面和朝向腔内的氢键作用位点，不仅合成简便高效，且能结合各种客体分子，构筑独特的超分子结构和轮烷分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11834; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 53, 11147; Chem. Sci. 2017, 8, 2091; Org. Biomol. Chem., 2022, 20, 9023; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216690; Chem. Eur. J. 2024, 30, e202303394; Chem. Commun., 2024, 60, 5622）。氢键芳酰胺大环的骨架中引入偶氮基团形成的偶氮芳酰胺大环具有光刺激响应性，在特定光刺激下能发生形状变化，实现客体分子的精确封装和释放（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 12519），并在后续研究中表现出构筑轮烷分子的优秀潜力（Chem. Commun. 2020, 56, 1066; Chem. Commun. 2021, 57, 13506）。近期，该团队基于偶氮氢键芳酰胺大环构筑了光响应轮烷分子体系，首次实现了具有多循环反应网络特征的自动分子机器，并根据最新的非平衡分析方法量化了该机器运行过程中的方向性。

与之前报道的依赖轴线形状变化的体系不同，该轮烷分子1H²⁺体系是通过构型诱导的大环形状变化来实现两个不同识别位点（PY和AM）之间的可逆穿梭。当对其施加光刺激时，大环发生异构化并伴随着环的尺寸变化，异构化后大环对轴线上不同位置的两个结合位点的相对亲和力发生反转，最终导致大环在轴线上的偏置分布（图2）。

图2. 基于偶氮芳酰胺大环的光驱动自动分子机器的设计策略。

通过设计合成单一位点的对照轮烷并研究它们的光异构化行为，发现大环对不同结合位点显示出不同的光反应性，即位点会影响所结合大环的光稳态组成和光异构化速率（图3）。小体积的AM位点不仅能够使结合在其上的大环更快地发生E→Z异构化，且位于该位点的大环的异构化程度也比PY位点的更大；而大体积的PY位点则有利于结合在其上的异构化后大环（E,Z、Z,Z-环）更快地热弛豫回到初始E,E状态。

图3. 结合位点对大环光异构化与热弛豫速率产生的影响。

稳态非平衡分析表明，在达到光稳态后，持续恒定的光照能使该轮烷分子按照特定方向自动运行，其棘轮常数K_r = 0.29（图4），说明在光稳态下，轮烷分子中约有78%的大环在PY位点发生E→Z异构化，随后穿梭至AM位点，发生Z→E的反向异构化，并再次穿梭回PY位点完成循环。

图4. 光稳态下自动分子机器1H²⁺的运动模式。

目标轮烷1H²⁺可通过变化操作条件控制运行方向，当利用365 nm紫外光对其进行一定频率的闪烁照射时，轮烷1H²⁺倾向于先穿梭再异构化（弛豫）；而在恒定的365 nm紫外光持续照射下，轮烷1H²⁺倾向于先异构化（反向异构化）再穿梭。

综上，基于含有两个偶氮基元的氢键芳酰胺大环构筑自动人造分子机器，为具有多循环反应网络特征的分子机器开辟了一条新的设计途径。

该研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。四川大学博士研究生杨智尧为该工作的第一作者，四川大学袁立华教授、李晓伟研究员、法国斯特拉斯堡大学Giulio Ragazzon助理教授、美国西北大学Emanuele Penocchio博士后以及深圳大学於秀君特聘副研究员为共同通讯作者。

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）：

Beyond Single-Cycle Autonomous Molecular Machines: Light-Powered Shuttling in a Multi-Cycle Reaction Network

Zhiyao Yang, Xirui Wang, Emanuele Penocchio,* Giulio Ragazzon,* Xinnan Chen, Shuai Lu, Yidan Zhou, Kuirong Fu, Zejiang Liu, Yimin Cai, Xiujun Yu,* Xiaopeng Li, Xiaowei Li, Wen Feng, and Lihua Yuan*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202414072

导师介绍

袁立华

https://www.x-mol.com/university/faculty/12802