化学学院朱克龙教授团队Nature Chem.:基于“环穿环”运行机理的新型轮烷分子梭

分子机器(Molecular Machine)是指在分子尺度上构筑的具有某种加工功能的分子组装体。天然的分子机器广泛地存在于生物体内,例如细胞内的核糖体就是一种由生物大分子所构成的复杂“机器”,在遗传编码的指导下,它可将氨基酸按照一定的序列连接成肽链,因而被称为蛋白质的“合成工厂”。通过人工合成的方法构筑分子机器并实现其功能一直是化学家们的梦想,它不仅能给传统的有机化学和纳米科技建立了一座桥梁,而且有望能进一步应用于材料、生物、医药等领域。2016 年度的诺贝尔化学奖授予了研究人工分子机器的三位科学家。

以轮烷(Rotaxane)与索烃(Catenane)为代表的机械互锁分子(Mechanically Interlocked Molecules, MIMs)是一类具有特殊拓扑结构的超分子体系。由于组成的分子单元之间仅存在弱的非共价相互作用,因而具有动态特性,如环的旋转与滑行移动等机械式的分子运动行为,进而可被用作于人工分子机器的研究,例如分子梭、分子开关、分子肌肉、分子升降机等等。如何高效地构筑这些动态分子并揭示其运行机理一直是分子机器研究领域的难点。

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图1 一种基于“环穿环”运行机制的新型轮烷分子梭

近年来,中山大学化学学院青年千人朱克龙教授团队在轮烷分子梭(Molecular Shuttle)的研究中取得进展(Nature Chem. 2015, 7, 514;Chem. Asian J. 2016, 11, 3258;Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 129, 6232;Chem. Sci. 2017, 8 , 7718)。在此基础上,朱克龙教授团队和加拿大温莎大学的Stephen J. Loeb教授等研究者合作设计并合成了一种新型的 [3]轮烷分子梭,包含有一大一小两个大环分子和两个识别位点,首次发现分子梭中较小的环可以从较大的环中穿过,两个大环分子互换位置,实现了首例具有“环穿环”运行机制的轮烷分子梭。相关论文发表在Nature Chem.上(Nature Chem. 2018, 10, 625–630)。自1991年,诺贝尔奖获得者Stoddart教授合成了首个轮烷分子梭以来,研究主要集中于非饱和的[2]轮烷分子梭,学术界普遍认为的饱和的[3]轮烷分子梭不能实现滑移穿梭的动态行为。通过巧妙设计与精准合成,可将分子梭拓展至[3] 轮烷体系,从而突破局限,揭示新的分子梭运行机制,可指导新型动态互锁分子开关或分子机器的设计,并有望推动分子机器的新应用。

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图2 《自然》杂志、英国皇家化学会Chemistry World对该研究工作的亮点报道

该研究工作发表后得到了多方面的关注,《自然》杂志(News and ViewsNature. 2018, 557, 39–40)对该工作进行亮点评述https://www.nature.com/articles/d41586-018-02732-5,认为将来可能在分子级“编织”或者分子级信息存储中得到应用。同时该工作也获得了英国皇家化学会Chemistry World的亮点报道https://www.chemistryworld.com/news/exchange-of-rings-shows-off-molecular-machines-clever-trick/3008970.article


该研究工作得到中组部青年千人计划,中山大学百人计划的大力支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41557-018-0040-9


文章录入:李心宇      责任编辑:李心宇
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