化學(xué)學(xué)院朱克龍教授團隊Nature Chem.：基于“環(huán)穿環(huán)”運行機理的新型輪烷分子梭
分子機器（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。天然的分子機器廣泛地存在于生物體內(nèi)，例如細胞內(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”。通過人工合成的方法構(gòu)筑分子機器并實現(xiàn)其功能一直是化學(xué)家們的夢想，它不僅能給傳統(tǒng)的有機化學(xué)和納米科技建立了一座橋梁，而且有望能進一步應(yīng)用于材料、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域。2016 年度的諾貝爾化學(xué)獎授予了研究人工分子機器的三位科學(xué)家。
以輪烷（Rotaxane）與索烴（Catenane）為代表的機械互鎖分子（Mechanically Interlocked Molecules, MIMs）是一類具有特殊拓撲結(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相互作用，因而具有動態(tài)特性，如環(huán)的旋轉(zhuǎn)與滑行移動等機械式的分子運動行為，進而可被用作于人工分子機器的研究，例如分子梭、分子開關(guān)、分子肌肉、分子升降機等等。如何高效地構(gòu)筑這些動態(tài)分子并揭示其運行機理一直是分子機器研究領(lǐng)域的難點。
圖1 一種基于“環(huán)穿環(huán)”運行機制的新型輪烷分子梭
近年來，中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱克龍教授團隊在輪烷分子梭（Molecular Shuttle）的研究中取得進展（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，朱克龍教授團隊和加拿大溫莎大學(xué)的Stephen J. Loeb教授等研究者合作設(shè)計并合成了一種新型的 [3]輪烷分子梭，包含有一大一小兩個大環(huán)分子和兩個識別位點，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，兩個大環(huán)分子互換位置，實現(xiàn)了首例具有“環(huán)穿環(huán)”運行機制的輪烷分子梭。相關(guān)論文發(fā)表在Nature Chem.上（Nature Chem. 2018, 10, 625–630）。自1991年，諾貝爾獎獲得者Stoddart教授合成了首個輪烷分子梭以來，研究主要集中于非飽和的[2]輪烷分子梭，學(xué)術(shù)界普遍認為的飽和的[3]輪烷分子梭不能實現(xiàn)滑移穿梭的動態(tài)行為。通過巧妙設(shè)計與精準合成，可將分子梭拓展至[3] 輪烷體系，從而突破局限，揭示新的分子梭運行機制，可指導(dǎo)新型動態(tài)互鎖分子開關(guān)或分子機器的設(shè)計，并有望推動分子機器的新應(yīng)用。
圖2 《自然》雜志、英國皇家化學(xué)會Chemistry World對該研究工作的亮點報道
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）對該工作進行亮點評述https://www.nature.com/articles/d41586-018-02732-5，認為將來可能在分子級“編織”或者分子級信息存儲中得到應(yīng)用。同時該工作也獲得了英國皇家化學(xué)會Chemistry World的亮點報道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)百人計劃的大力支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-018-0040-9
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