分子馬達指自然的或人造的分子機器，如生物體內的ATP合成酶，細菌鞭毛等。2016年諾貝爾化學獎授予了成功設計并合成出在外界能量輸入下進行可控性運動“分子機器”的三位科學家。人造分子馬達作為能量轉換裝置在智能材料、信息儲存以及生物醫療等方面有重要應用前景。光驅動分子馬達目前已得到較好的發展且在智能材料等領域得到一定應用，但其在黑暗條件下或光難以穿透的體系中的應用具有一定的局限性，因此發展跟自然界相似的化學能驅動分子馬達具有重要意義。而化學能驅動的分子馬達目前則面臨著合成便利性、反應正交性、能量有效利用以及單向性等一系列問題。
近日，我校藥學院趙德鵬教授研究團隊則在這一領域取得了進展，他們通過向聯苯分子骨架引入點手性和螺旋手性，以縮合劑為燃料并結合動態內酯鍵的構建，通過簡單的序列性反應誘導其實現圍繞聯苯碳碳單鍵單向360°的旋轉。該分子馬達是目前為止單向性最高的分子馬達。
分子馬達結構設計及單向旋轉示意圖
化學能驅動的分子馬達的方向性主要由所涉及反應的立體選擇性決定。研究者通過在聯苯骨架上部苯環引入帶有手性中心的羧酸側鏈，下部苯環分別引入兩個酚羥基并選用兩個正交的保護基（甲氧甲基和芐基）對兩個酚羥基進行選擇性地保護/去保護，在保證聯苯開環狀態下碳碳單鍵足夠高的翻轉能壘的同時可進行動態內酯鍵的形成。正確的羥基的釋放使其在加入縮合劑后快速生成具有螺旋手性的熱力學不穩定的七元環內酯（立體選擇性>99%，這對實現絕對定向運動至關重要），并經過快速螺旋手性翻轉釋放環張力達到熱力學穩定態，水解開環后由于聯苯鄰位取代基產生的足夠的位阻使其能夠實現180°的旋轉且不會翻轉回初使的狀態，接著將該酚羥基重新保護起來并釋放另外一個酚羥基，遵循相同的步驟則可完成剩下的180°的旋轉。該過程中研究者通過HPLC，核磁（室溫和低溫）以及DFT計算進行驗證，并且四種狀態下分子馬達結構均得到單晶，證實該分子馬達實現將近100%單向360°的旋轉。原則上，改變手性中心構型后能夠實現相反方向的單向旋轉運動。該分子馬達體系的分子結構合成路線簡單且收率較高，序列性控制旋轉條件簡單溫和，通過化學能源的直接耦合實現對分子運動的精確控制，為未來構建更復雜的人工系統以及可調控藥物奠定了一定的基礎。
上述研究成果以題為A Chemically Driven Rotary Molecular Motor Based on Reversible Lactone Formation with Perfect Unidirectionality的論文發表在國際TOP期刊Chem上，第一作者為中山大學博士生張雨，通訊作者為我校藥學院趙德鵬教授和荷蘭格羅寧根大學的Ben L. Feringa教授。該研究工作得到了國家自然科學基金（21801260 和 21971267）和廣東省手性分子與藥物研發重點實驗室(2019B030301005) 、廣東省創新創業團隊引進計劃(2017ZT07C069) 等的支持。
