听诺奖弟子聊分子机器 | 那些没得诺奖的人和他们的分子机器

今年的诺贝尔化学奖颁给了Sauvage, Stoddart和Feringa以表彰他们在分子机器设计领域的杰出贡献。这三位科学家自然是这个领域的奠基人和开拓者,但同时有许多其他的科学家们和他们一起撑起了这整个领域,这篇专栏文章就来盘点其中的几位。

David Leigh

今年的化学奖颁给分子机器后不少人为David Leigh可惜,因为他也是分子机器领域的一位大师,这次颁奖几乎表示他这辈子再无可能问鼎诺贝尔奖。至于他为什么这次不能拿奖,只能说他晚生了几年。首先,他是Stoddart的博士生,1987年获得博士学位,研究生期间在做大环化学的合成与相关的主客体化学研究。他做了两年博后之后开始了自己的独立教职,从他早期发表的文章来看,90年代他研究过一段时间的C60和超分子化学,90年代中期进入机械互锁分子领域,而他做出的分子机器领域突破性的工作都在2000年以后,而今年获奖的三位科学家的最初突破都在2000年以前,所以从时效性来说他的工作晚于今年的三位获奖者。其次,他的工作同样是基于索烃和轮烷,虽然有他的个人特色,但是前有索烃和轮烷的集大成者Sauvage和Stoddart,所以很遗憾排不到他。但这并不妨碍他成为这个领域的大师,笔者本人也非常喜欢他的工作,这里先介绍几个代表作。

Sauvage在1994年报导了控制索烃中一个环相对另一个环的转动,但是却无法控制环转动的方向,即这个转动方向完全是随机的。Leigh在2003年则首次报导了索烃中的单向转动,虽然所用的方法略显复杂,但确实是个不小的突破。他设计了一个[3]索烃,即两个环套在另一个大环上,大环上有四个不同的结合位点,可以调控它们与两个环的相对结合能力。通过其中一个环挡住另一个环往一个方向的前进路线造成了另一个环单向运动的结果。

2003年Leigh报导索烃中大环的单向转动

2003年Leigh报导索烃中大环的单向转动

第二年Leigh又报导了另一种策略,即在两个结合位点中间加入两个不同的可控打开和关闭的“大门”,转换结合位点的相对结合能力之后,选择性的打开其中一个“大门”则大环只能从一边转到另一个结合位点上,关上“大门”之后再次切换结合位点的相对结合能力再打开另一个“大门”则完成一次单向旋转。

2004年Leigh报导的另一种索烃中的单向旋转策略

2004年Leigh报导的另一种索烃中的单向旋转策略

Leigh没有满足于这种需要分步加入试剂调控的分子机器,今年他设计了一个索烃,可以在加入“燃料分子”到消耗完全之前让其中的一个环沿着另一个环单向旋转。其中的原理是,在两个等同的结合位点的同一个方向上有一个不停开启关闭的“大门”,开启和关闭消耗溶液中的“燃料分子”。当一个结合位点上有大环的时候,由于位阻效应会减慢大门关上的速度,因此有更多的机会穿过大门,最终统计的结果就是向一个方向旋转的大环多于向另一个方向旋转的大环,实现了自动的单向旋转。

2016年Leigh发表的自动单向旋转的索烃

2016年Leigh发表的自动单向旋转的索烃

除了单向旋转的索烃外,Leigh还有许多非常漂亮的分子机器的工作,下一篇专栏还会继续讨论。

James Tour

Feringa把他的分子马达安上小车成功的驱动了纳米小车前进,其实在他之前还有另一个人做了好多个版本的纳米小车,这个人就是JamesTour。与Feringa先花十来年研究马达,再把马达装上车子一次成功不同,Tour走了先研究车架子再往上装马达的研发路线,从三轮车,四轮车,到六轮甚至“纳米火车”,连轮子都研发了三代,有富勒烯,碳硼烷,金属配合物。

Tour设计的形形色色的纳米小车

Tour设计的形形色色的纳米小车

最开始Tour的纳米车都是只有轮子没有马达只能在表面靠环境热驱动的无动力车,从轮子的布局大概能限制小车随机扩散的路劲。比如三轮车大多数情况只能原地打转,而四轮车则更倾向于沿着轮轴转动的方向运动。之后Tour尝试给小车加入可控的动力装置,比如在车体中加入偶氮苯基团,希望通过光激发的顺反异构让小车像毛毛虫那样拱行,但并没有相关的表明设计成功的实验报导。

Tour设计的引入光控偶氮苯的纳米小车

Tour设计的引入光控偶氮苯的纳米小车

Tour也曾尝试过将Feringa的分子马达引入纳米小车的骨架,让马达驱动小车前进,遗憾的是我们同样没能看到相关的驱动成功的实验报导。但是三年后Feringa报导了第一个由分子马达驱动的纳米小车,Tour虽然没有成功,但他的文章为Feringa纳米小车的成功提供了宝贵的经验。也许正是他将马达放在车架中不成功的结果才使得Feringa提出了直接将马达与轮子整合的设计。

Tour将Feringa的分子马达引入纳米小车设计

Tour将Feringa的分子马达引入纳米小车设计

虽然在纳米小车的设计上Tour没有成功,但是我们还是很欣慰地看到了之后成功地案例,而且Tour后来的主业是石墨烯碳纳米管等碳纳米材料的研究。

 

T. Ross Kelly

上一篇专栏提到1999年Nature上发表的Feringa的分子马达注定要载入史册,其实就在这篇文章的前面还有一篇分子马达的文章,两篇文章back-to-back.而相比之下,这篇文章背后的故事显然就略显遗憾了。Kelly和Stoddart生日相差不到一个月,是一名天然产物全合成有机化学家,祖师爷是Woodward,但让他在晚年声名大噪的确是非天然产物的设计与全合成。

1994年Kelly在JACS上发表了一篇叫做分子刹车片的文章。分子中的三蝶烯通过一根单键连接到2,2’-联吡啶上可以随机地自由旋转,当加入金属离子配位固定联吡啶后由于一个吡啶环插入三蝶烯产生位阻使得旋转停止。

Kelly在1994年报导的分子刹车片

Kelly在1994年报导的分子刹车片

之后Kelly将手性的四螺苯替换了联吡啶,企图用手性构建能量棘轮,诱导三蝶烯单向旋转,在1999年的Nature上发表了初步成果,分子马达的120度单向旋转。三蝶烯的一个叶片上引入氨基,四螺苯末端接有醇羟基,加入燃料光气连接氨基和羟基诱导叶片跨过四螺苯能垒实现120度单向旋转。

Kelly于1999年发表的120度单向旋转分子马达

Kelly于1999年发表的120度单向旋转分子马达

这个分子马达设计通过单键旋转,直观上的体会更接近我们所了解的“马达”,可惜之后很长一段时间再也没有关于这个体系的报导。直到八年后的一篇JACS,Kelly才发表了他关于这个分子马达的努力,然而结局却令人不慎惋惜。为了实现360度旋转,Kelly在三蝶烯三个叶片上都引入了氨基,同时在四螺苯上引入了能催化光气与氨基反应的吡啶,希望通过催化剂定向将燃料分子输送到最近的一个氨基上,重复三次即可完成一周的旋转。设计非常精巧大胆,但是事实很无情,Kelly的团队经过各种尝试之后都不work,最终宣布失败告终。

Kelly于2007年发表的不成功的360度旋转尝试

Kelly于2007年发表的不成功的360度旋转尝试

难以想象,这项工作在十来名科研人员的八年的尝试后以失败告终。联系到Kelly的全合成背景,非常善于设计步骤很长的合成路线,但却不能不考虑到分子的合成路线太长,一旦发现不work需要修改结构的时候,时间和人力成本太高,难以进行大量的尝试。Kelly是不幸的,也许成功的那个结构就只需要修改一个碳链的长度,或者一个取代基的位置,但是很遗憾,我们也许永远都不会知道了。但Kelly又是幸运的,虽然在这篇文章之后他便淡出了学术圈,虽然他的分子马达最终没有成功,但毫无疑问他在人类挑战未知的前沿留下了浓墨重彩的一笔,因为有太多失败的科研故事,甚至都没有让世界知道的机会。

 

参考文献

  1. David A. Leigh, Jenny K. Y. Wong, Franc¸oisDehez, Francesco Zerbetto, Nature, 2003, 424, 174-179.
  2. Jose´ V. Herna´ndez, Euan R. Kay, David A. Leigh,Science, 2004, 306, 1532-1537.
  3. Miriam R. Wilson, Jordi Solà, Armando Carlone,Stephen M. Goldup, Nathalie Lebrasseur, David A. Leigh, Nature, 2016, 534, 235-240.
  4. Guillaume Vives, James M. Tour, Acc. Chem. Res., 2009, 42, 473–487.
  5. T. R. Kelly, H. De Silva and R.A. Silva, Nature. 1999, 400, 150-152.
  6. T. Ross Kelly, Michael C. Bowyer, K. VijayaBhaskar, David Bebbington, Albert Garcia, Fengrui Lang, Min H. Kim, Michael P.Jette, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 3657-3658
  7. T. Ross Kelly, Jose´ Pe´rez Sestelo, ImanolTellitu, J. Org. Chem. 1998, 63, 3655-3665.
  8. T. Ross Kelly , Xiaolu Cai , Fehmi Damkaci ,Sreeletha B. Panicker , Bin Tu , Simon M. Bushell , Ivan Cornella , Matthew J.Piggott , Richard Salives , Marta Cavero , Yajun Zhao , Serge Jasmin, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 376.