Light-Driven Molecular Motors Based on Overcrowded Alkenes: From Molecular Machines to Smart Materials
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摘要: 分子机器是指在分子级别上能根据外界刺激作出类似机械运动响应的分子.基于大位阻烯烃的光驱动分子马达，在特定波长照射下，碳碳双键可以发生异构，可通过热力学过程控制单向旋转的方向.单向旋转的特殊性是区别于其他光响应分子开关的最重要特征.文章主要介绍分子马达的功能性合成，并简述其在可控分子运动、动态自组装和智能材料方面的研究进展.Abstract: Molecular machines are molecules that can perform mechanical movement like motion upon stimulation. The central carbon-carbon double bond in the light-driven molecular motors based on overcrowded alkenes can undergo photochemical isomerization upon irradiation by certain wavelength light, which is followed by a thermal step to control the unidirectionality of the rotation. The unidirectional rotation is the most important feature that distinguishes this type of motor from other photo-responsive switches. This review introduces the functional synthesis of the motors and describes their application in controlled molecular motion, dynamic self-assembled system and smart materials.
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Keywords:
- molecular motors /
- molecular machines /
- self-assembly /
- responsive materials
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分子机器在生命系统中无处不在，涉及从细胞分裂、运输蛋白质、肌肉运动以及为生命过程提供动力的ATP的几乎所有必需过程[1-4].了解自然、学习自然、改造自然一直是科学发展的动力源泉.生物机器多样的结构和巧妙的功能[5-6]，为科学家从合成化学领域进入动态分子系统领域提供了巨大的灵感来源.
2016年诺贝尔化学奖授予法国斯特拉斯堡大学的SAUVAGE、美国西北大学的STODDART、荷兰格罗宁根大学的FERINGA三位科学家，以表彰他们在分子机器设计与合成方面的卓越贡献.其中SAUVAGE和STODDART两位科学家研究的分子机器主要是基于机械互锁分子.所谓机械互锁分子是指该分子中至少存在2个以机械键维系而非共价键相连的部分[7-8].机械互锁分子最常见的是索烃(Catenane)和轮烷(Rotaxane)两类分子.索烃是由2个或以上的环互锁，其中一环绕另一环转动.轮烷则是一环穿在一个两边封端的轴上，环可沿轴平移.索烃和轮烷都可以实现一些基本的机械运动.而另一位科学家FERINGA的分子机器则是基于大位阻烯烃(Overcrowded alkenes)的顺反异构分子，利用双键的顺反异构和单键的旋转来构建分子内的相对运动.本文主要综述基于大位阻烯烃的光驱动分子马达的研究进展.
1. 大位阻烯烃分子机器的发展
分子机器是指在分子级别能根据外界刺激作出类似机械运动响应的分子.能对外做功的分子机器，一般被称为分子马达(motor)，是因为马达通过做功，能将某种形式的输入能量转化为预定的某种形式的输出能量.
关于大位阻烯烃的研究在FERINGA博士论文《关于形成手性分子开关基础的手性大位阻烯烃》中早已阐述[9].在不对称大位阻烯烃顺-反式异构体的合成中，使用了McMurry偶联反应，探讨了扭曲烯烃可能显示出阻碍异构的现象. FERINGA认识到这些新型大位阻结构具有内在手性二苯乙烯型发色团，而生色基团不受二苯乙烯光引发成环反应的影响.这为10多年后的手性光开关和20年后的光驱动旋转分子马达的开发提供了重要的分子结构基础.在1991年，FERINGA小组报道了这种手性大位阻烯烃的光异构化[10]，并证明仅通过改变辐射光的波长，就可以控制分子的一半相对于另一半在任一方向上进行顺时针或逆时针运动.而控制旋转运动的方向性是后期发展分子马达的关键. FERINGA关于手性大位阻烯烃[9]和手性分子开关[10]方面的研究成果为后来第一个光驱动单向旋转分子马达的发现铺平了道路.该课题组1999年报道了首个光驱动单向旋转分子马达.这种分子马达具有2种不同的立体化学元件：螺旋结构(P或M螺旋)和立体中心(R或S)[11].甲基取代基最初是为了测定绝对立体化学而引入的(图 1B)，它可以采用轴向(Meax)或赤道(Meeq)取向.该研究发现，光照生成的不稳定顺式异构体具有空间拥挤的Meeq，通过能量下坡热螺旋反转的过程可以恢复Meax取向，释放空间拥挤的应变力.通过基于能量向上的光化学烯烃异构化和能量向下的热螺旋反转这2个步骤，研究者们偶然发现了分子马达的180°单向旋转过程.他们很快意识到，只要重复这2个过程，就可以实现完全单向旋转循环步骤.此循环由2个超快光化学步骤和1个决速热步骤组成，构成一个可重复多次的360°单向旋转循环. FERINGA对分子马达的研究一直持续到今天，做出了许多连续突破性的工作. 2005年，VAN DELDEN等[12]分子马达的下端引入额外的双键，将溶液中的分子马达固定在Au表面上，这样使得分子运动从溶液中的相对运动转变为在表面上的绝对运动，为后续的做功以及单分子观测打下了基础.该团队又将分子马达掺入到液晶中，质量分数为1%的马达分子不仅能驱动整个液晶分子的转动，还能通过改变液晶表面的形貌起伏，转动一个比分子大数千倍的微米级玻璃棒，实现了微观分子驱动宏观物体的目标，清晰地展示了分子机器将光能转化为机械能的过程[13].更有趣的是2011年FERINGA小组[14]设计了一个四轮小车模样的有机分子，4个轮子由对称性不同的2组分子马达组成，在注入电子的情况下可以使轮子向同一方向转动.这种将马达和轮子整合的设计思路和现代汽车颇有异曲同工之妙！大位阻烯烃分子机器的发展历程如图 2所示.
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图 2 大位阻烯烃分子机器的发展历程Figure 2. The development of molecular machines based on overcrowded alkenes要从分子过渡到动态分子系统，一个重要的挑战就是如何克服无规则的布朗热运动.分子开关和马达由于其自身运动的可控性，非常适合引入动态行为，达到亚稳状态并驱动分子系统远离平衡态.本研究组主要专注于分子运动的精准控制、动态自组装以及响应型材料等关键科学问题的研究.
2. 可控分子运动
在外界刺激下，分子开关可以在2个或多个稳态之间相互转化，因此可将其应用于分子储存器.液晶是分子开关的理想宿主介质，因为液晶具有将长距离组织与流动性相结合的特点，它们对环境、分子结构或组成的细微变化具有较强的响应能力. 2014年，本研究组提出在分子水平上由手性光开关控制胆甾相液晶液滴织构(图 3)[15].证明液滴可以创建和控制光学可重写的手性结构，这种胆甾相液晶液滴的结构具有可控、可逆转变，有望实现分子手性的超灵敏检测.
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在发现分子马达后，本研究组合成了大量的第一代旋转分子马达[16-17]，以提高旋转速度，或将吸收波长转移到可见光区域.通过系统地改变空间参数，尤其是通过扩大“fjord region”以促进特定速率的热螺旋反转和通过改变立体中心取代基的大小，旋转速度从每小时1周期提高到几秒1周期.然而，我们面临的一个重要问题是介质和尺寸将在多大程度上影响旋转行为. 2014年，本研究组制备了一系列具有不同长度和柔韧性的悬挂杆的第一代分子马达(图 4)，通过多种表征手段，确定了热异构化过程的动力学和热力学参数[18].这些研究表明：溶剂的黏度是造成具有较长刚性臂的分子马达转动发生强烈延迟的主要因素.溶剂黏度影响分子马达旋转运动的研究结果对分子马达表面组装的应用研究具有重要意义，因为在表面上，环境对分子运动的影响将发挥明显的作用.同时，该工作对分子马达在生物体内尤其是复杂环境、高黏度环境的应用具有重要的指导作用. 《Chemical & Engineering News》对其进行了亮点报道(https://cen.acs.org/articles/92/i40/Molecular-Mixers.html)，评论其“为今后设计更复杂的分子机器提供了重要的指导作用”. TOUR研究组在其发表的论文中引用了本研究组的工作[19]，为他们使用分子马达打开细胞表面双分子层的研究提供了重要的指导.
随着合成化学的不断发展，新型分子机器的不断研发，在此基础上，本研究组进一步关注分子马达控制功能的潜在应用.实现分子机器的潜在功能，其中一种方式是让分子马达完成特定任务.尽管迄今为止所设计的大多数人工分子装置可以高精度触发位置变化，但“货物”从一个地点转移到另一个地点的机械任务尚待深入研究.因此，分子马达在运动过程中的一个关键挑战是如何动态控制功能并允许执行特定任务.生物系统中的分子机器能对外界刺激作出受控运动和运输的反应，2016年本研究组设计了一种光驱动纳米器件的分子内货物运输装置(图 5)[20].该装置由3个不同位点组成：(1)货物(即乙酰基)最初位于分子下半部分的位点A；(2)位点B在上半部分带有一个巯基臂，可以抓住货物；(3)位点C具有苄胺基团，在下半部分的另一侧，货物的运输通过上半部分转子相对于定子部分的光诱导旋转运动来实现.巯基(位点B)可以与酚酯(位点A)反应，并从下半部分拾取乙酰基，形成硫代乙酸盐.随后，通过光触发中心双键的180°旋转，使新形成的硫代乙酸酯(位点B)和苄胺基团(位点C)紧密相邻，使S—N乙酰发生转移.最终这些操作使分子内乙酰基从位点A到位点C的转移距离约为2 nm.研究首次展示了分子内货物运输的机械任务，证明了分子机器的功能潜力.
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3. 表面自组装系统
如前文所述，克服由于分子碰撞和振动而导致的布朗运动是分子机器发展的一个重要挑战，这种碰撞和振动会永久性地扰乱任何受控运动.分子表面自组装是克服该问题的重要方法.第二代分子马达特别适合该类自组装行为，因为定子部分允许引入各种“支腿”用于表面锚固，使转子部分可以自由进行光驱动的旋转运动(图 6A).与溶液类似物不同，当分子马达被限制在拥挤的单分子层中时，存在分子间的相互作用(图 6B), 因此先前设计的双足分子马达的异构化过程会受阻.此外，采用双足、三足单元在表面锚定的方法会出现“摆动”的不稳定现象，因此，在基于分子马达的表面结合装置中，其主要挑战是提出有效的表面功能化策略并在表面结合系统中实现畅通无阻的旋转运动. 2014年，本研究组提出利用“四脚固定”的方法，将分子马达锚定在石英表面(图 6C)[21].通过设计带有Ⅳ价定子的马达，增加表面结合的马达之间的自由体积，从而最小化分子间的相互作用，同时刚性的四足结构能更牢固控制定向转动，可以克服分子马达在表面上转速降低的问题，实现精确控制表面的光响应行为.这一突破性的研究为新型功能分子马达的设计和研究提供了理论指导，为开发更先进的、动态的表面锚定系统奠定了基础.
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本研究组在实现精确控制表面光响应行为的基础上，进一步探索其应用.目前，对分子机器运动行为的表征大多局限于溶液相的统计学表征，而单个分子机器受环境影响可能产生的特定运动轨迹则无法进行具体描述，这为进一步建立响应一致的分子机器自组装体系的设计带来了困难.同时，在单分子水平上，分子马达在石英表面单向旋转细节的研究受到衍射极限的限制，这阻碍了传统光学方法对动态位置信息的收集. 2017年，本研究组提出使用离焦宽视场成像的方法(图 7A)[22]，解决了监测单个合成光驱动分子马达旋转的挑战，并解释了旋转循环的细节.在模拟单个ATPase蛋白马达旋转运动的可视化实验中(图 7B)，我们使用了一个具有多组分的分子系统，利用单分子荧光技术直接可视化研究组装在石英表面上的单个马达的旋转功能(图 7C)[23].通过离焦宽视场成像成功检测了分子在表面组装时单分子水平的马达旋转，证明了单个分子马达的运动是不受布朗运动影响的可控运动，并展示了相关运动的大量机械细节，这对于进一步理解、设计和应用分子马达至关重要.
4. 响应聚集自组装系统
分子自组装成具有较大形貌且动态可控的超分子结构是生物系统正确运行的必要条件.在用于自组装的组件中引入光学开关构建超分子系统，可以使系统对外部光信号进行响应并重新配置.例如，光活化和氧化还原活性的双硫代亚噻吩单元形成了两亲物的核心，其特别设计用于形成高度稳定的纳米管[24].本研究组使用大位阻烯烃为核心元件，实现了从纳米管到囊泡再到纳米管的转变(图 8)，系统对光和热的响应是完全可逆的，因此具有更复杂的适应性行为[25].这是首次报道的分子马达在水介质中能表现出完全保留其功能性的自组装行为，对于在水中发展响应性自组装系统有很好的前景.一旦分子马达功能的全部潜力被利用，我们有望在光驱动的自组装系统中实现自适应和远离平衡态行为.
利用人工分子机器做功的一种方式是利用分子机器的聚集体在宏观上造成可观测的变化.例如将已有的分子机器整合到材料中，在分子水平上通过各种尺度放大，让分子机器在微观层面做功并改变材料的宏观性质.诸如人工肌肉类型材料的软致动器构造的应用前景迷人，软致动器可以根据输入的能量改变形状而执行相应的机械功能.而有待解决的一个重要问题：怎样有序地整合分子机器.分级自组装是解决此问题的有效方法. 2018年，本研究组提出了基于小分子的分级超分子自组装的分子肌肉系统[26]，描述了由光响应两亲性分子马达的分级自组装形成的超分子系统(包括质量分数为95%的水)，实现了宏观收缩肌肉运动，首次报道了在水中直接观察到基于光响应分子马达的分级超分子非共价系统的宏观运动(图 9、图 10)，该系统还能在空气中朝向光源摆动到饱和的弯曲角度.此外，在空气中的提升重物实验证明了这种光致动过程的内在潜力(图 11).在光照射之后，体系能够朝向光源弯曲45°，具有足够的致动力来提升重量. “人工分子肌肉”在水和空气中作为光驱动响应材料的成功设计为人造机械材料和柔性机器人技术的发展迈出了重要的一步.这该工作得到国际同行和各类期刊的高度关注、引用和评论. 《Chemical & Engineering News》撰写专栏“Molecular Motors Made Into Muscles”进行亮点论文报道(https://cen.acs.org/articles/95/i49/Motor-molecules-made-muscles.html), 评论它“是一种‘人工肌肉’类型的响应材料，是分子机器领域的一个重要里程碑，揭示了分子马达的重要应用前景”.该报道还引用美国德州达拉斯大学人工肌肉专家BAUGHMAN教授的评价：“该材料是基于非共价键合的小分子体系，且含有质量分数高达95%的水溶液，能够像高分子水凝胶一样，快速响应光信号，具有极高的形变效率和幅度.相信其在生物相容材料以及在可控药物释放方向有着极大的应用”.法国斯特拉斯堡大学超分子聚合物专家GIUSEPPONE教授也在该报道中评价：“该材料为制备软致动器材料提供了一个重要工具”.此外，STUPPS研究组在其发表的论文[27]中评价：“该工作为首例基于超分子聚合物的光致动器”.华东理工大学田禾院士团队在其最近发表的论文[28]中评论该工作是一个“巧妙的设计”.美国国家科学院院刊在2018年刊发的分子机器领域展望文章[29]中评论该工作“给人造机械材料以及机器人的发展提供了很大的帮助，可能为分子机器的实际应用打开了一扇大门”.
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5. 结束语
分子机器属于基础研究，理念超前，极具挑战性.通过对分子结构的精准调控实现对分子功能和性质的调节，提出有效的表面功能化策略实现控制分子机器在表面的光响应行为，以及利用分子机器的聚集体在宏观上造成可观测的变化.人工分子马达的研究才刚开始，其在纳米技术中的巨大潜力将被发掘，利用大位阻烯烃的分子马达在分子机器领域将有更大的发展前景.
致谢: 感谢黄文婷为本文付出的文献检索与主要撰写工作，以及孟家慧、龙桂英、李晓君参与的文献调研工作. -
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图 2 大位阻烯烃分子机器的发展历程
Figure 2. The development of molecular machines based on overcrowded alkenes
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