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    我国学者与海外合作者在分子马达研究方面取得进展

    日期 2022-09-29   来源:化学科学部   作者:岳衎 付雪峰  【 】   【打印】   【关闭

    图 化学能驱动的单向旋转分子马达的设计与工作原理

      在国家自然科学基金项目(批准号:21971267)资助下,中山大学赵德鹏教授课题组和合作者Ben Feringa教授报道了利用化学能驱动分子马达实现高单向连续转动。研究成果以“化学能驱动的单向旋转分子马达(Intrinsically unidirectional chemically fuelled rotary molecular motors)”为题,在《自然》(Nature)杂志上发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-05033-0。

      自然界中,众多复杂的分子机器组成了生物体,其中分子马达发挥着独特且重要的作用,比如ATP合成酶。人造分子马达作为能量转换装置在纳米运输、分子泵、智能材料、信息储存以及生物医疗等方面有重要应用前景。然而,化学能驱动的人造分子马达的合成难度高、单向性较差和能量利用率低等因素导致相关研究进展缓慢。

      赵德鹏教授团队长期致力于化学能分子马达的研究。在前期工作中,该团队提出了使用动态共价键构建分子马达的思路,并发展了一种新颖的基于联苯结构、利用正交保护基策略、以缩合剂为燃料的分子马达系统,实现了高单向性的360°旋转。然而,要达到“高单向连续转动的化学能分子马达”的目标,依然存在以下挑战:1)分子马达转动过程的每一个步骤都需要保证高单向性,同时避免因为布朗运动导致的单向性降低;2)为了保证分子马达转动的连续性,必须放弃正交保护基策略,转而通过构象控制实现环化过程的自主选择性;3)必须在同一个体系内,使得关环-翻转-开环这一系列步骤发生且具有相近的反应速率;4)化学燃料和马达反应速率应远高于燃料自身的水解速率,以降低背景反应和保证高燃料利用率。

      针对这些挑战,赵德鹏团队巧妙的利用联苯骨架侧链的双手性中心,实现了同时调控环化单向性以及环翻转单向性,且实现了非保护基策略下化学能分子马达的单向性旋转。该团队以单晶XRD、核磁共振谱、圆二色谱等手段,清晰地表征了此分子马达体系的开环态、环状不稳定态和环状稳定态,描述了分子马达的高单向转动过程。通过去对称化策略,进一步展示了分子马达的360°分步转动。此外,该团队还实现了加入一次化学燃料,即可使分子马达在“一锅”酸碱振荡的条件下进行连续多步的单向转动。同样值得注意的是,该团队在研究过程中还发现了“动态动力学水解”的现象,并提出了分子马达的连续转动过程中存在的动态动力学控制现象,从而大大提升了转动单向性和燃料利用率。最终,在温和条件下(35°C),实现了化学能驱动分子马达的高单向性(7.2*107/1)连续转动。该成果将为智能材料、仿生合成纳米机器以及智能药物的研究提供新的思路和物质基础。