通过拓扑约束控制光驱动分子马达的旋转方向

《Chemical Science》：Controlling the rotary direction of light-driven molecular motors by topological confinementOpen Access

　　

受生物机器启发，研究人员已开发出基于过度拥挤烯烃（overcrowded alkenes）的人工光驱动分子马达。此类马达可在光和热触发下，围绕中心烯烃键进行重复的单向旋转运动。然而，与能够精密调控旋转方向的天然马达不同，按需控制人造马达的旋转方向仍是一项重大挑战。在此，研究人员证明，通过用乙二醇（ethylene glycols）共价连接分子马达的上半部分和下半部分，拓扑约束（topological confinement）可以决定马达是正向还是反向旋转。实验数据表明，当大环长度较短时，旋转运动被完全阻断；而中等长度的链则允许发生纯粹的反向热E–Z异构化（thermal E–Z isomerization, TEZI），而非传统的热螺旋反转（thermal helix inversion, THI）步骤——后者可使马达正向旋转。随着环尺寸增大，可同时观察到正向和反向旋转运动。密度泛函理论（density functional theory, DFT）计算揭示，链长在决定上述两种竞争过程的能垒差异中起关键作用。利用马达的反向旋转，研究人员构建了一种复杂的分子机器，并实现了轮烷（rotaxane）沿其轴的穿梭运动的动态调控。这些发现标志着向未来设计具有动态功能的复杂合成分子机器迈出了重要一步。

拓扑约束控制光驱动分子马达旋转方向的研究解读

自然界中广泛存在能够执行复杂生物学过程的分子马达，例如ATP合酶可通过调控旋转方向驱动ATP的合成或水解，鞭毛马达则通过选择性旋转引导细菌运动。这些天然马达在分子层面实现了高效率、高选择性的精密调控。受其启发，基于过度拥挤烯烃（overcrowded alkene）的人工光驱动分子马达被相继开发出来。此类马达通过交替施加光和热，可围绕中心烯烃键发生重复的单向旋转，其基本机理涉及光化学E–Z异构化（photochemical E–Z isomerization, PEZI）和热螺旋反转（thermal helix inversion, THI）。然而，与天然马达能够按需调节旋转方向不同，人造马达一旦合成，其正向旋转方向通常固定，难以人为控制旋转方向。这一挑战严重制约了复杂人工分子机器的功能设计。针对此问题，研究人员提出假设：通过共价连接马达的上半部分和下半部分，利用拓扑约束（topological confinement）来限制其构象变化，从而有可能引导马达转向反向旋转。

研究人员围绕这一思路，设计并合成了三种具有不同长度乙二醇链桥连上下两半的马达–冠醚化合物，命名为Mce1、Mce2和Mce3。实验结果显示，当桥链长度适中时（Mce1），光照射生成的亚稳态E异构体在加热后并未沿传统的THI路径前进，而是发生热E–Z异构化（thermal E–Z isomerization, TEZI）直接返回稳定的Z异构体，说明马达实现了反向旋转；当桥链过短时（Mce2），整个旋转运动被完全锁死；当桥链较长时（Mce3），加热后同时发生TEZI和THI，导致Z异构体与E异构体以80:20的比例共存。密度泛函理论（density functional theory, DFT）计算表明，链长差异改变了TEZI与THI的能垒相对高低，从而决定旋转方向。此外，研究人员将Mce1集成到[2]轮烷（[2]rotaxane）中，通过光热循环实现了轮烷大环沿哑铃轴穿梭速率的动态调控，速率可从0.07 s^?1加速至1.47 s^?1，提升约20倍。该工作首次证明拓扑约束可作为控制分子马达旋转方向的通用策略，为未来设计具有动态功能的复杂合成分子机器奠定了基础。论文发表在《Chemical Science》。

为开展研究，研究人员采用的主要技术方法包括：多步有机合成路线（如Rieche甲酰化、氢酰化、Lawesson试剂硫化、重氮化合物环化、Buchwald羟基化等）制备目标马达–冠醚化合物及轮烷；核磁共振氢谱（¹H NMR）监测光异构化与热过程，并通过积分确定光稳态及热平衡比例；紫外可见吸收光谱（UV-vis）跟踪反应动力学，并结合Eyring分析提取活化参数（Δ^?G^°、Δ^?H^°、Δ^?S^°）；利用DFT计算优化过渡态几何并估计能垒；通过¹H–¹H EXSY实验测定轮烷穿梭速率。

### 2.1 设计与合成

研究人员以6-溴-2-萘酚为起始原料，经Rieche甲酰化、烯丙基化、氢酰化、Lawesson试剂硫代、与重氮化合物环化等步骤得到二溴取代的过度拥挤烯烃中间体9，再通过Buchwald羟基化转化为二酚化合物10。分离得到Z-10后，将其与不同长度的乙二醇在碱性条件下反应，分别生成目标产物Z-Mce1、Z-Mce2和Z-Mce3。该合成路线实现了对桥环尺寸的系统变化，为后续旋转方向调控提供了结构基础。

### 2.2 马达–冠醚1–3的旋转运动

对Z-Mce1的研究发现，经365 nm UV照射后，¹H NMR谱中出现亚稳态E异构体特征信号，光稳态下亚稳态E与稳定Z的比例为77:23。将样品于90 °C加热10 h后，并未检测到经THI生成的稳定E异构体，而是完全恢复了Z-Mce1的谱图，表明该过程通过TEZI完成，即马达发生了反向旋转。UV-vis动力学实验结合Eyring分析得到TEZI的活化吉布斯自由能Δ^?G^°（20 °C）为114.39 kJ mol^?1，对应室温半衰期51天；20次光热循环未出现明显疲劳，表明体系具有良好可逆性。

对于链长更短的Z-Mce2，UV照射后¹H NMR谱未发生任何变化，说明过短的大环完全限制了萘环翻转所需的空间，导致PEZI步骤被阻，旋转运动完全锁定。

对于链长最长的Z-Mce3，光照后同样形成亚稳态E异构体，光稳态比例为82:18。加热后，¹H NMR谱中除回收的Z-Mce3信号外，还出现了新的峰，经与独立合成的E-Mce3对照，确认这些峰来自稳定的E-Mce3。定量分析表明Z-Mce3与E-Mce3的比例为80:20，即20%的马达通过THI发生正向旋转，80%通过TEZI发生反向旋转。DFT计算显示，亚稳态E-Mce3中THI的能垒（119.37 kJ mol^?1）略高于TEZI的能垒（110.87 kJ mol^?1），该能量差与实验观察到的80:20产物比例一致。此外，DFT还揭示Mce1的THI过渡态几何中键长和键角严重偏离正常化学值，表明其THI过渡态在几何上无法存在，因而只发生反向旋转。

### 2.3 利用Mce1动态控制分子机器中的穿梭运动

为展示反向旋转的应用价值，研究人员将Mce1安装到具有两个苯并咪唑识别位点和四个叔丁基阻挡基团的H型哑铃分子上，构建了[2]轮烷²?(Z)-Mce1。在室温下，大环沿轴的穿梭速率为0.07 s^?1。经UV照射形成亚稳态[2]?(E)-Mce1后，光稳态比例为78:22。EXSY实验显示穿梭速率升至1.47 s^?1，加速约20倍。DFT计算表明，在亚稳态E状态下，轴中央的联苯基团成为额外的识别位点，与马达的萘环产生π–π堆积作用，同时冠醚环构象发生扭曲，削弱了与苯并咪唑间的氢键作用，从而降低穿梭能垒。加热后可完全恢复初始状态，且往复循环超过20次无明显疲劳。

综上，研究人员通过系统改变连接分子马达上下两半的乙二醇链长度，成功利用拓扑约束实现了旋转方向的人为控制。在中等链长下，马达完全转向反向旋转；在较长链长下，正反向旋转可共存；而过短链长则完全锁定运动。研究还证明了这种可控反向旋转可在轮烷穿梭运动中发挥动态调节功能。结论部分，研究人员指出：通过拓扑约束控制光驱动分子马达的旋转方向已得到概念验证。研究中特意选择需要较高温度触发THI或TEZI的马达，以便在室温下通过UV-vis和¹H NMR对亚稳态进行足够时长的检测。未来可通过修饰马达核心结构来降低TEZI所需的温度，这将有助于合理设计下一代先进分子机器。