Science封面头条：德国科学家创造历史，实现分子机器

百科大全 2025年08月07日 16:54 1 admin

德国柏林洪堡大学的研究团队在《科学》杂志发表突破性研究，成功开发出一种光驱动分子机器，能够在不依赖任何模板的情况下合成机械互锁分子。这项成果颠覆了传统分子合成的基本范式，为纳米级分子制造开辟了全新路径。

Science封面

该研究由Michael Kathan团队领导，他们设计的分子机器能够将随机的分子热运动转化为精确的定向过程，通过控制旋转实现对复杂三维分子结构的主动构建。这一突破解决了分子尺度制造面临的根本挑战：在持续随机热运动的环境中实现精确的机械操纵。

突破传统合成局限

长期以来，机械互锁分子的合成一直依赖模板或自组装策略来指导分子预组织。这些传统方法虽然有效，但限制了分子设计的灵活性和多样性。研究团队开发的新方法完全摆脱了这种依赖，通过分子马达的精确旋转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。

图一种索烃的机器定向合成的工作原理

研究团队设计的分子机器被命名为（Zs）-0，其核心是一个基于茚基亚甲基单元的单向光驱动旋转马达。该马达的两个旋转部分分别连接到两个大环：一个通过稳定醚键连接的静态大环，另一个通过可裂解酯键连接并带有末端烯烃基团的动态大环。通过光照诱导的Z/E双键异构化和随后的热螺旋反转，马达能够实现完整的360度旋转周期。

关键的创新在于，马达每旋转180度就会在系统中引入一个精确的交联。这种机制使得研究人员能够通过控制旋转周期的次数来精确控制最终产品中交联的数量，从而实现对分子拓扑结构的精细调控。

图机器异构体的缠绕顺序（Zs）-0

精确控制分子缠绕过程

实验验证显示了这种精确控制的卓越能力。研究团队使用多种分析技术，包括超高效液相色谱-高分辨质谱、核磁共振和紫外-可见光谱，详细追踪了机器的缠绕序列。第一个交联的引入通过在-50℃下紫外光照射实现，核磁共振产率达到79%。随后的热螺旋反转在20℃下迅速完成，形成稳定的异构体。

图卷绕机异构体的共价捕获和还原释放

为引入第二个交联，研究人员在20℃下进行光化学异构化，以94%的高产率生成亚稳态异构体。在90℃下，该异构体通过定量热螺旋反转转化为双缠绕结构。实验还展示了第三个交联的成功引入，但当尝试形成第四个交联时，机器达到了其最大机械负载限制，表明存在天然的结构约束。

研究团队进一步通过钌催化的环合烯烃复分解反应对每个缠绕异构体进行共价捕获，成功保存了从零到三个交联的所有缠绕态。随后使用DIBAL-H还原剂裂解锚定酯基，将最终的烯烃大环从中央马达单元中释放出来，获得了目标的机械互锁分子。

验证机械键的存在

图交联烃（Zs）-221和（Es）-221的表征

为确保所合成分子确实具有机械互锁特性，研究团队进行了全面的结构表征和验证。核磁共振谱图显示，与非互锁参考化合物相比，交联烃的关键信号出现显著化学位移差异，表明分子内环境发生了预期变化。扩散有序光谱进一步证实，交联烃的流体力学半径比对应的宏观环状参考化合物更大，与缠绕结构特征相符。

最有说服力的证据来自烯烃交叉复分解实验。当对机械互锁分子进行该反应时，液相色谱分析显示反应产物中不存在残留的交链烃，而是观察到马达大环和烯烃大环的开链衍生物。这一结果有力证明了当大环骨架中的键被裂解时，机械互锁分子会完全解体，从而确认了机械键的存在。

开启分子制造新纪元

这项研究的意义远超单一技术突破。它展示了分子机器如何将定向运动转化为建设性的化学工作，为主动、精确地构建具有复杂三维结构和拓扑特征的分子体系奠定了基础。与传统依赖模板的方法不同，这种机器导向的方法提供了一种通用的概念验证策略，有望应用于合成更广泛的索链烷、分子结和轮烷。

研究团队的成功还为理解生物系统中的分子机器提供了新见解。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，这对生命过程至关重要。人工分子机器的发展不仅推进了合成化学的边界，也为开发新型功能材料和纳米设备提供了可能。

这项研究代表了分子制造领域的一个重要里程碑，预示着未来可能实现对分子结构的更精确、更灵活的控制，为材料科学、药物开发和纳米技术的发展开辟新的可能性。

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分子马达的精确控制力

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