Science封面文章：分子机器！

米测MeLab

2025-08-07

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

Science封面

研究背景

精确的分子机械操纵因分子尺度的随机热运动而固有地困难。自然界中的纳米级机器通过棘轮机制将随机波动转化为定向过程，对生命至关重要。人工分子机器（AMMs）可利用定向运动来进行建设性的化学工作，以控制分子的形状-包括能量上不受欢迎的形状。

关键问题

然而，利用定向运动合成主要存在以下问题：

1、难以利用定向运动对分子强加特定形状并构建机械互锁结构

分子尺度的物质处于持续的随机热运动中，这使得精确的机械操纵本身就非常困难。尽管AMMs在实现单向运动等方面取得了重要进展，但如何将这种定向运动转化为建设性的化学工作，以控制分子形状，从而实现机械互锁分子的合成，仍是一个重大挑战。

2、现有MIMs合成策略对模板或组装方法的依赖性

目前合成机械互锁分子的策略本质上都依赖于模板或组装策略来指导分子预组织。将分子马达产生的缠结直接转化为机械互锁分子是一个被忽视的机会，但要实现这一目标，需要确保产生的缠结中间体能够被选择性地获取、具有足够的动力学稳定性以防止热解缠，并能够进行共价捕获和后续释放。

新思路

有鉴于此，德国柏林洪堡大学Michael Kathan等人报告了由分子马达驱动的连环体的合成，该分子马达将分子链缠绕成离散的纠缠结构，每个结构由特定数量的机械交叉定义。光能驱动电机单向旋转，实现了对一系列热力学不利但机械截然不同且动力学稳定的绕组状态的路径依赖控制，这些绕组状态被共价捕获并随后释放以产生连环体。这种机器制导的方法为无模板构建机械互锁分子提供了一种通用的概念验证策略。

技术方案：

1、开发了（Zs）-0的分子机器

作者开发了分子机器（Zs）-0，利用光驱动旋转马达和大环结构，通过光照和热螺旋反转实现360°旋转，引入交联，可精确控制交联数量。

2、通过多种分析技术研究了分子机器（Zs）-0的缠绕序列

实验数据清晰地证明了通过交替光化学异构化和THI，可以逐步、精确地控制分子机器的缠绕过程和交联数量。

3、成功地使用HG-II催化剂捕获了从零到三个交联的缠绕态

作者通过钌催化环合烯烃复分解反应捕获了（Zs）-0的缠绕异构体（从零到三个交联），并用DIBAL-H还原裂解锚定酯基以释放最终的烯烃大环。

4、通过多种表征确证所合成MIMs的结构和特性

作者通过光化学异构化、核磁共振、扩散有序光谱、高分辨率质谱和碰撞诱导解离等实验，确证了交联烃的结构和特性。烯烃交叉复分解反应进一步证明了机械键的存在，表明在键裂解时机械互锁分子会解体。

技术优势：

1、开创性地实现了不依赖模板的机械互锁分子（MIMs）合成

本文通过光驱动分子马达的精确、定向旋转，克服了传统MIMs合成对模板或自组装策略的依赖，直接将分子链缠绕成热力学上不利但动力学稳定的缠结结构，并通过共价捕获和释放成功合成了交联烃。这代表了在复杂分子架构构建领域的一个重大概念突破。

2、展示了对分子拓扑结构形成的精细控制能力

该分子机器的独特设计确保了每180°旋转都能精确地引入一个交联，并且其热螺旋反转的高活化能使得旋转循环中的每个步骤都可被选择性控制。这种对缠绕过程中交联数量的精确控制，为主动且精确地构建具有复杂三维结构和拓扑的分子架构提供了可靠的途径和基础。

技术细节

分子机器设计与工作原理

为了应对利用定向运动构建MIMs的挑战，作者开发了一种名为（Zs）-0的分子机器。该机器核心是一个单向光驱动旋转马达，其两个旋转部分分别连接到两个大环上：一个通过稳定的醚键连接的静态大环，另一个通过可裂解的酯键连接并带有用于共价捕获的末端烯烃基团的动态大环。该马达基于茚基亚甲基单元，通过光照诱导Z/E双键异构化和随后的热螺旋反转（THI），实现360°旋转周期。在（Zs）-0机器中，马达每旋转180°，就会通过缠绕连接的大环在系统中引入一个交联。为了合成最简单的交联烃——霍普夫链环，需要两个交联，因此机器需完成至少360°旋转以形成双缠绕物（Zs）-2。缠绕结构可以通过分子内烯烃复分解反应（利用HG-II催化剂）共价捕获。随后，通过DIBAL-H还原裂解锚定酯基，可将烯烃大环从中央马达单元中释放出来，从而获得交联烃（Zs）-22。马达单元独特的高活化能特性，使得旋转周期中的每个步骤都能被选择性控制，从而能够精确地控制最终机械互锁产品中交联的数量。

图  一种索烃的机器定向合成的工作原理

机械缠绕过程的实验验证

作者通过UPLC-HRMS、¹H/¹⁹F核磁共振（NMR）以及紫外-可见（UV-vis）光谱等多种分析技术，详细研究了机器（Zs）-0的缠绕序列。第一个交联的引入是通过在-50°C下紫外光照射（λirr = 313 nm）将初始机器异构体（Zs）-0转化为亚稳态异构体（Em）-1，其NMR产率为79%。随后，（Em）-1在20°C下迅速发生热螺旋反转（THI）形成稳定异构体（Es）-1。为了引入第二个交联，研究人员在20°C下对（Es）-1进行光化学E/Z异构化，高效生成了亚稳态异构体（Zm）-2，产率为94%。随后，在90°C下，（Zm）-2通过定量THI转化为双缠绕机器（Zs）-2。文章进一步展示了第三个交联的引入（形成（Es）-3）和第四个交联的尝试（形成（Zm）-4），但最高缠绕异构体（Zm）-4的热弛豫未能导致THI，而是恢复了（Es）-3，这表明机器已达到其最大机械负载。这些实验数据清晰地证明了通过交替光化学异构化和THI，可以逐步、精确地控制分子机器的缠绕过程和交联数量。

图  机器异构体的缠绕顺序（Zs）-0

缠绕产物的共价捕获与释放

在确认能够通过（Zs）-0选择性地诱导分子链间的交联后，作者着手通过钌催化环合烯烃复分解反应对每个缠绕异构体进行共价捕获以化学保存其结构。他们成功地使用HG-II催化剂捕获了从零到三个交联的缠绕态。为了从中央马达单元中释放出最终的烯烃大环（OM），随后采用DIBAL-H还原剂裂解了所有共价捕获的缠绕异构体的锚定酯基。共价捕获的（Zs）-2异构体在还原裂解后成功地形成了所需的机械键，获得了交联烃（Zs）-22。同样，从具有三个交联的（Es）-3形成的缠绕态，在共价捕获和还原释放后，也得到了交联烃（Es）-22。值得注意的是，由于无法构建具有奇数交联数的环形交联烃，Es构型机器态中的环合烯烃复分解反应必须引入一个与缠绕过程中引入的交联具有相反手性的新交联，从而确保最终释放的结构具有偶数个交联。

图  卷绕机异构体的共价捕获和还原释放

交联烃的表征与验证

为确证所合成MIMs的结构和特性，作者进行了多方面的表征和验证。通过光化学异构化实验，证明了两种交联烃具有相同的交联数量，并且在还原释放后，中央马达单元能够恢复连续的360°旋转周期。核磁共振谱图显示，与非互锁的参考化合物相比，分离出的交联烃的关键信号表现出显著的化学位移差异，这表明了分子内环境的变化。扩散有序光谱（DOSY）NMR进一步证实，交联烃的流体力学半径比其宏观环状参考化合物更大，与缠绕结构相符。高分辨率质谱（HRMS）结果显示，交联烃与其单独非互锁组分的测量和模拟同位素模式之间存在极佳的一致性，进一步支持了其分子组成。此外，碰撞诱导解离（CID）实验也为这些机械互锁分子的提议结构提供了进一步支持。为提供机械键存在的直接证据，研究人员对互锁分子（Zs）-22进行了烯烃交叉复分解反应。UPLC分析显示，反应产物中不存在残留的交联烃，而是观察到马达大环MM和烯烃大环OM的开链衍生物，这有力地证明了当大环骨架中的键（如通过共价捕获形成的烯烃基团）被裂解时，机械互锁分子会解体，从而证实了机械键的存在。

图  交联烃（Zs）-2²₁和（Es）-2²₁的表征

展望

总之，作者证明了光驱动分子机器所做的工作可以用来合成交联烃。尽管该策略与Sauvage的螺旋方法相似，但它并不依赖于模板或组装策略来预先组织构建单元，而是通过分子马达的受控旋转将双螺旋形状强加到分子链中，从而产生离散的热力学不利的缠结，这为获得广泛的索链烷、分子结和轮烷。该方法为分子机器主动、精确地构建具有复杂三维结构和拓扑结构的分子体系奠定了基础。

参考文献：

TOMMY WACHSMUTH, et al. A molecular machine directs the synthesis of a catenane. Science, 2025, 389(6759): 526-531

DOI: 10.1126/science.adx5363

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5363