分子機(jī)器(Molecular Machine)是指在分子尺度上構(gòu)筑的具有某種加工功能的分子組裝體。天然的分子機(jī)器廣泛地存在于生物體內(nèi),例如細(xì)胞內(nèi)的核糖體就是一種由生物大分子所構(gòu)成的復(fù)雜“機(jī)器”,在遺傳編碼的指導(dǎo)下,它可將氨基酸按照一定的序列連接成肽鏈,因而被稱為蛋白質(zhì)的“合成工廠”。通過(guò)人工合成的方法構(gòu)筑分子機(jī)器并實(shí)現(xiàn)其功能一直是化學(xué)家們的夢(mèng)想,它不僅能給傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)和納米科技建立了一座橋梁,而且有望能進(jìn)一步應(yīng)用于材料、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域。2016 年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了研究人工分子機(jī)器的三位科學(xué)家。
以輪烷(Rotaxane)與索烴(Catenane)為代表的機(jī)械互鎖分子(Mechanically Interlocked Molecules, MIMs)是一類具有特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超分子體系。由于組成的分子單元之間僅存在弱的非共價(jià)相互作用,因而具有動(dòng)態(tài)特性,如環(huán)的旋轉(zhuǎn)與滑行移動(dòng)等機(jī)械式的分子運(yùn)動(dòng)行為,進(jìn)而可被用作于人工分子機(jī)器的研究,例如分子梭、分子開(kāi)關(guān)、分子肌肉、分子升降機(jī)等等。如何高效地構(gòu)筑這些動(dòng)態(tài)分子并揭示其運(yùn)行機(jī)理一直是分子機(jī)器研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。
圖1 一種基于“環(huán)穿環(huán)”運(yùn)行機(jī)制的新型輪烷分子梭
近年來(lái),中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱克龍教授團(tuán)隊(duì)在輪烷分子梭(Molecular Shuttle)的研究中取得進(jìn)展(Nature Chem. 2015, 7, 514;Chem. Asian J. 2016, 11, 3258;Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 129, 6232;Chem. Sci. 2017, 8 , 7718)。在此基礎(chǔ)上,朱克龍教授團(tuán)隊(duì)和加拿大溫莎大學(xué)的Stephen J. Loeb教授等研究者合作設(shè)計(jì)并合成了一種新型的 [3]輪烷分子梭,包含有一大一小兩個(gè)大環(huán)分子和兩個(gè)識(shí)別位點(diǎn),首次發(fā)現(xiàn)分子梭中較小的環(huán)可以從較大的環(huán)中穿過(guò),兩個(gè)大環(huán)分子互換位置,實(shí)現(xiàn)了首例具有“環(huán)穿環(huán)”運(yùn)行機(jī)制的輪烷分子梭。相關(guān)論文發(fā)表在Nature Chem.上(Nature Chem. 2018, 10, 625–630)。自1991年,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Stoddart教授合成了首個(gè)輪烷分子梭以來(lái),研究主要集中于非飽和的[2]輪烷分子梭,學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為的飽和的[3]輪烷分子梭不能實(shí)現(xiàn)滑移穿梭的動(dòng)態(tài)行為。通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)合成,可將分子梭拓展至[3] 輪烷體系,從而突破局限,揭示新的分子梭運(yùn)行機(jī)制,可指導(dǎo)新型動(dòng)態(tài)互鎖分子開(kāi)關(guān)或分子機(jī)器的設(shè)計(jì),并有望推動(dòng)分子機(jī)器的新應(yīng)用。
圖2 《自然》雜志、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)Chemistry World對(duì)該研究工作的亮點(diǎn)報(bào)道
該研究工作發(fā)表后得到了多方面的關(guān)注,《自然》雜志(News and Views,Nature. 2018, 557, 39–40)對(duì)該工作進(jìn)行亮點(diǎn)評(píng)述https://www.nature.com/articles/d41586-018-02732-5,認(rèn)為將來(lái)可能在分子級(jí)“編織”或者分子級(jí)信息存儲(chǔ)中得到應(yīng)用。同時(shí)該工作也獲得了英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)Chemistry World的亮點(diǎn)報(bào)道https://www.chemistryworld.com/news/exchange-of-rings-shows-off-molecular-machines-clever-trick/3008970.article。
該研究工作得到中山大學(xué)百人計(jì)劃的大力支持。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41557-018-0040-9
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