细胞中的生物分子机器都是自动运转的，他们在生物体内的非平衡环境中收集能量并耗散，在这一过程中完成其本身的某些功能，例如催化，转运或者能量存储等。为了模拟生物分子机器的运转，人们也在小分子层面开发了许多人造分子机器。但这些分子机器往往是需要手动运转的，例如通过光照或者添加具有相反效果的化学刺激等。尽管目前已有几例通过连续化学方法驱动的自动运转的分子机器报道，但目前构造非平衡的分子泵仍然是该领域的一大挑战。
近日，英国曼彻斯特大学David A.Leigh教授团队报道了一种化学燃料驱动的连续分子泵，可以将冠醚持续泵入预设的线性分子片段上，此非平衡的分子泵可以维持直到燃料耗尽。该工作以题为“A catalysis-driven artificial molecular pump”发表在《Nature》上。这是Leigh教授2020年以来第三篇Nature，前两篇解读：Leigh 院士大爆发，连发两篇Nature：从分子“打结”到“编织”，把高分子推向新高度！。
【体系各组分及功能介绍】
在这项工作中，作者设置了如下几个功能部分：
环状冠醚（24-冠-8）：作为被泵入的主体，并促进胺基和化学燃料氧羰基酯片段之间的胺基转移反应。如图所示，冠醚可以和线性轴上的胺基、胺基与化学燃料形成的氧羰基酰胺，以及轴上多个三氮唑之间形成氢键相互作用，根据各组分氢键的强弱来区分冠醚在不同位置的能量。
线性轴：此线性分子一端为具有大体积的永久封端基团，防止冠醚从该侧进入和穿出。另一端为带有一个竖直方向三氟甲基和伯胺的片段。其中伯胺可以提供冠醚的临时作用位点，并与化学燃料结合，三氟甲基作为冠醚的速度泵，调控冠醚穿过此区域的速度，以达到一定程度上控制冠醚的单向运动的目的。轴的中间部分为以丙基作为间隔的四个三氮唑，作为冠醚在此处的临时结合位点。
化学燃料：以一侧为芴甲基，一侧为对硝基苯基的氧羰基酯作为化学燃料。氧羰基酯可以和伯胺发生胺解反应，使对硝基苯酚作为离去基团，芴甲基一侧的羰基转移到胺基上，形成氧羰基酰胺，芴可以作为临时存在的封端基。
二异丙基胺：使新生成的氧羰基胺发生分解，分解为二氧化碳和芴烯。
图1. 非平衡分子泵运转原理及各组分示意图
【非平衡分子泵体系的运转原理】
经过作者对每一组分和结构功能的精心设计，使得体系中多个组分之间相互协调，按照预设的方式正常运转。
在起始阶段，体系中存在冠醚，线性轴，化学燃料以及二异丙基胺，此为体系的初始状态。由于较强的氢键相互作用，冠醚与线性轴分子上的伯胺相互作用，形成类似于准轮烷的结构。
随后，体系中的化学燃料靠近伯胺，在冠醚的催化下，胺基穿过冠醚环进攻化学燃料的羰基，最终使化学燃料的对硝基苯酚部分离去，芴的部分被固定在线性轴的胺基上，形成一侧为芴的氧羰基酰胺。
值得注意的是，氧羰基酰胺的形成过程是由冠醚作为催化剂，因此该官能团形成后，冠醚也被固定其上，与胺基形成氢键，组成轮烷。
由于冠醚与线性分子上的三氮唑之间的氢键更强，因此冠醚可以进一步越过三氟甲基速度泵，进入三氮唑区域。此时体系中的二异丙基胺靠近氧羰基酰胺，促进其分解，从而使芴脱落。完成第一次循环。该循环重复四次，直到轴上的四个三氮唑片段上均有冠醚占据达到平衡状态。该状态会一直维持到体系中的化学燃料被完全耗尽，随后冠醚可能从轴上脱落下来。
图2. 大环在分子泵中的分布及其表征
整个过程可以类比为用水泵往上抽水，水泵的动力存在（对应于化学燃料存在）时，水可以维持往上运动，动力耗尽后（对应于溶液中的化学燃料耗尽），水即回落。
【可能的几个疑问】
为何胺基和氧羰基酯形成氧羰基胺后，会形成冠醚轮烷？
Leigh课题组在2018年，2020年先后发表过多篇文章（参考：J Am Chem Soc, 2018，140, 6049；Nat Commun, 2020，11, 744；J Am Chem Soc, 2020，142, 9803），研究胺基与卤代烃，胺基与酯等在冠醚环中心发生取代反应的过程。冠醚通过氢键可以起到稳定反应过程中间体的作用。取代反应在冠醚环内完成，这也是一种新的合成轮烷的方法。
速度泵三氟甲基是如何发挥作用的，为什么二异丙基胺水解掉氧羰基酰胺后冠醚不立刻脱离轴？
三氟甲基的目的就在于防止二异丙基胺水解氧羰基酰胺后冠醚的快速脱离。由于三氟甲基的体积较大，24-冠-8穿过该基团使速度变得很慢，从而导致二异丙基胺水解掉氧羰基酰胺后位于三氮唑上的冠醚还没来得及穿过三氟甲基脱离轴，即发生了伯胺与自由冠醚以及化学燃料之间的转移形成轮烷的反应。
小结：David Leigh开发出一种化学燃料驱动的连续分子泵，可以将冠醚持续泵入预设的线性分子片段上，此非平衡的分子泵可以维持直到燃料耗尽。使用催化驱动人工分子泵在催化和分子机械领域开辟了新机遇、新见解和新方向。
作者简介：
David Leigh教授，来源：华东师范大学
David A. Leigh是国际杰出的超分子化学家，欧洲科学院院士、英国皇家科学院院士、苏格兰皇家科学院院士、英国皇家化学会会士以及爱丁堡皇家学会士，现任英国曼彻斯特大学化学系Sir Samuel Hall（冠名）教授和英国皇家协会教授。现担任英国皇家化学会（RSC）旗舰期刊Chemical Science的副主编，同时担任德国Wiley杂志社旗舰杂志Angew. Chem. Int. Ed与美国化学会期刊ACS Central Science的国际顾问编委。Leigh长期从事超分子化学以及分子机器的研究。目前已在Nature、Science、Nature Chemistry、Nature Materials以及Nature Nanotech等国际顶级杂志上发表论文20余篇。
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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