双分子泵精准组装轮烷平移异构体：纳米尺度机械互锁分子的可控合成

本研究通过设计双分子泵(DP·6PF6)实现了[2]-和[3]轮烷(rotaxane)平移异构体的高选择性组装。利用氧化还原循环驱动环状分子(CBPQT4+)沿分子轴定向移动，结合核磁共振(NOESY、DOSY)与质谱技术，首次实现了对机械互锁分子(MIMs)空间构型的精准控制，为人工分子机器(AMMs)的模块化设计提供了新范式。

　　

在分子尺度实现精确运动控制是合成纳米技术领域的核心挑战。自然界中，蛋白质和核酸通过构象变化执行复杂功能，而科学家们长期致力于构建具有类似可控运动特性的人工系统。机械互锁分子(MIMs)如轮烷(rotaxane)和索烃(catenane)因其组件间的相对位移能力成为理想平台。然而，传统方法难以稳定分离轮烷的平移异构体——这些异构体仅在分子开关中作为瞬态中间体存在，制约了其在功能材料中的应用。

针对这一难题，由J. Fraser Stoddart和Dong Jun Kim领导的国际合作团队在《Nature Communications》发表突破性研究。他们设计了一种双分子泵(DP·6PF₆)，通过氧化还原循环驱动环状分子(CBPQT⁴⁺)沿分子轴定向移动，首次实现了四种轮烷平移异构体的高收率(60-88%)分离。该工作将人工分子泵(AMP)的应用从简单环积累拓展至复杂空间构型的精准编程，为分子机器设计提供了新范式。

研究团队采用三项关键技术：1) 微波辅助合成构建含双泵模块的分子骨架；2) 钴茂/六氟磷酸银(CoCp₂/AgPF₆)氧化还原体系驱动的可控环穿梭；3) 多维核磁共振(包括NOESY和DOSY)结合高分辨质谱(ESI-MS)进行异构体表征。

分子双泵的设计与合成
研究设计的DP·6PF₆包含两个泵模块：2,6-二甲基吡啶鎓(PY⁺)库仑势垒、紫精(BIPY²⁺)识别位点和异丙基苯(IPP)位阻单元。通过微波辅助偶联和点击化学(CuAAC)两步反应以51-71%收率制备，质谱检测到母离子[DP-2PF₆]²⁺(m/z 1005.4377)。

轮烷异构体的制备
通过调控氧化还原循环条件：

• 单次循环获得中央链环化的[2]轮烷R1·10PF₆(收率88%)，母离子m/z 1555.4946
• 无游离环条件下二次氧化驱动形成末端链异构体R2·10PF₆(收率64%)
• 类似策略制备[3]轮烷R3·14PF₆(收率83%)和R4·14PF₆(收率60%)，后者因空间位阻导致NMR峰展宽

异构体表征
1H NMR显示关键位移变化：中央链环化时H-16/H-17位移至3.4/4.6 ppm，末端链环化则使烷基质子(H-42-H-51)位移至-1.87~1.1 ppm。NOESY谱明确区分异构体：R1·10PF₆中环与中央链质子(H-15-H-20)相关，而R2·10PF₆仅与末端链质子相关。DOSY证实所有样品均为纯化合物，扩散系数随环数增加而降低(R1:5.1→R4:4.2×10^-6 cm²/s)。

该研究开创性地将分子泵转化为构型精准控制工具。通过引入双泵模块和IPP位阻单元，实现了环状分子在纳米尺度上的"编程化"定位。特别值得注意的是，R4·14PF₆中观察到的NMR峰展宽现象，揭示了多环空间约束导致的构象动态平衡，为研究纳米限域效应提供了新模型。这种模块化设计策略可拓展至更复杂的[n]轮烷体系，有望推动分子齿轮、分子存储器等功能器件的开发。研究同时证实，氧化还原驱动的自由基配对相互作用(BIPY⁺···CBPQT²⁽⁺⁾)是超越传统非共价作用的有效驱动力，为发展新型人工分子机器指明了方向。