分子馬達(dá)指自然的或人造的分子機(jī)器，如生物體內(nèi)的ATP合成酶，細(xì)菌鞭毛等。2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了成功設(shè)計(jì)并合成出在外界能量輸入下進(jìn)行可控性運(yùn)動(dòng)“分子機(jī)器”的三位科學(xué)家。人造分子馬達(dá)作為能量轉(zhuǎn)換裝置在智能材料、信息儲(chǔ)存以及生物醫(yī)療等方面有重要應(yīng)用前景。光驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)目前已得到較好的發(fā)展且在智能材料等領(lǐng)域得到一定應(yīng)用，但其在黑暗條件下或光難以穿透的體系中的應(yīng)用具有一定的局限性，因此發(fā)展跟自然界相似的化學(xué)能驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)具有重要意義。而化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的分子馬達(dá)目前則面臨著合成便利性、反應(yīng)正交性、能量有效利用以及單向性等一系列問(wèn)題。
近日，我校藥學(xué)院趙德鵬教授研究團(tuán)隊(duì)則在這一領(lǐng)域取得了進(jìn)展，他們通過(guò)向聯(lián)苯分子骨架引入點(diǎn)手性和螺旋手性，以縮合劑為燃料并結(jié)合動(dòng)態(tài)內(nèi)酯鍵的構(gòu)建，通過(guò)簡(jiǎn)單的序列性反應(yīng)誘導(dǎo)其實(shí)現(xiàn)圍繞聯(lián)苯碳碳單鍵單向360°的旋轉(zhuǎn)。該分子馬達(dá)是目前為止單向性最高的分子馬達(dá)。
分子馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及單向旋轉(zhuǎn)示意圖
化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的分子馬達(dá)的方向性主要由所涉及反應(yīng)的立體選擇性決定。研究者通過(guò)在聯(lián)苯骨架上部苯環(huán)引入帶有手性中心的羧酸側(cè)鏈，下部苯環(huán)分別引入兩個(gè)酚羥基并選用兩個(gè)正交的保護(hù)基（甲氧甲基和芐基）對(duì)兩個(gè)酚羥基進(jìn)行選擇性地保護(hù)/去保護(hù)，在保證聯(lián)苯開(kāi)環(huán)狀態(tài)下碳碳單鍵足夠高的翻轉(zhuǎn)能壘的同時(shí)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)酯鍵的形成。正確的羥基的釋放使其在加入縮合劑后快速生成具有螺旋手性的熱力學(xué)不穩(wěn)定的七元環(huán)內(nèi)酯（立體選擇性>99%，這對(duì)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定向運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要），并經(jīng)過(guò)快速螺旋手性翻轉(zhuǎn)釋放環(huán)張力達(dá)到熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)，水解開(kāi)環(huán)后由于聯(lián)苯鄰位取代基產(chǎn)生的足夠的位阻使其能夠?qū)崿F(xiàn)180°的旋轉(zhuǎn)且不會(huì)翻轉(zhuǎn)回初使的狀態(tài)，接著將該酚羥基重新保護(hù)起來(lái)并釋放另外一個(gè)酚羥基，遵循相同的步驟則可完成剩下的180°的旋轉(zhuǎn)。該過(guò)程中研究者通過(guò)HPLC，核磁（室溫和低溫）以及DFT計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，并且四種狀態(tài)下分子馬達(dá)結(jié)構(gòu)均得到單晶，證實(shí)該分子馬達(dá)實(shí)現(xiàn)將近100%單向360°的旋轉(zhuǎn)。原則上，改變手性中心構(gòu)型后能夠?qū)崿F(xiàn)相反方向的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該分子馬達(dá)體系的分子結(jié)構(gòu)合成路線(xiàn)簡(jiǎn)單且收率較高，序列性控制旋轉(zhuǎn)條件簡(jiǎn)單溫和，通過(guò)化學(xué)能源的直接耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的精確控制，為未來(lái)構(gòu)建更復(fù)雜的人工系統(tǒng)以及可調(diào)控藥物奠定了一定的基礎(chǔ)。
上述研究成果以題為A Chemically Driven Rotary Molecular Motor Based on Reversible Lactone Formation with Perfect Unidirectionality的論文發(fā)表在國(guó)際TOP期刊Chem上，第一作者為中山大學(xué)博士生張雨，通訊作者為我校藥學(xué)院趙德鵬教授和荷蘭格羅寧根大學(xué)的Ben L. Feringa教授。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（21801260 和 21971267）和廣東省手性分子與藥物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2019B030301005) 、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)引進(jìn)計(jì)劃(2017ZT07C069) 等的支持。
