分子拓扑学和机械键为人们提供了一套结构工具来创造纳米级的“分子机器”，而分子机器也为三位化学家赢得了2016年的诺贝尔化学奖。其中，J. Fraser Stoddart教授的获奖与他在“分子梭（molecular shuttle）”领域的研究贡献密不可分。1991年，Stoddart教授合成了第一个[2]轮烷（[2]rotaxane）分子梭，这种机械互锁分子（mechanically interlocked molecule，MIM）包括一个线性的轴和套在上面的大环，大环在轴两端之间的识别位点上来回移动（即“梭动”，图1a），这种大幅度的平移运动可以被外部刺激所控制。在此基础上，机械互锁分子还衍生出了分子开关、分子肌肉、分子升降机等等。轮烷的分子轴上也可以“套上”两个甚至更多的分子大环，这种情况下，如果轴上没有“空置”识别位点，这些环就无法来回移动，例如饱和[3]轮烷（图1b）。

为了进一步扩大分子机器的动力学研究范围，中山大学的朱克龙（Kelong Zhu）教授和加拿大温莎大学的Stephen J. Loeb教授等研究者合成了一种特殊的饱和[3]轮烷分子梭，包含一大一小两个分子大环，轴上也仅有两个识别位点。有趣的是，这种分子梭中较小的环可以从较大的环中穿过，两个分子大环互换位置，实现“环穿环”的分子梭动（图1c）。这种巧妙的构思有助于加深对分子机器的理解，同时拓展分子梭和机械互锁分子的应用领域。相关论文发表在Nature Chemistry  上。

图1. 几种类型轮烷分子梭示意图。图片来源：Nat. Chem.

这种新型分子梭主要包含刚性H形轴，两个苯并咪唑识别位点和两个聚醚大环：其中一个较小，[24]冠-8（24C8）；另一个较大，苯并[n]冠-8，其中n为30（B30C8）或42（B42C8）。在一锅反应中，含有末端醛官能团的预形成的准轮烷[2-H⊂24C8]⁺与二胺1以等当量缩合，然后在催化剂ZrCl₄存在下氧化，用Et₃N处理后，得到中性的四溴[2]轮烷[3⊂(24C8)]。因为[3⊂(24C8)]还包含一个未被占用的识别位点，更大的环可以被添加上去，但是这就要求需要延长轴并增加两端封基（stopper）的尺寸，以确保更大的环能被限制在轴上而不会滑落。研究者通过Suzuki偶联反应，在四溴[2]轮烷[3⊂(24C8)]的封基上引入更大的三苯甲基基团得到[2]轮烷[4⊂(24C8)]，并且保持与之前[2]轮烷[3⊂(24C8)]相同的MIM特征。最后研究者通过关环复分解反应将双烯烃大环前体“套到”轴上剩下的识别位点上，得到了他们想要的饱和[3]轮烷分子[4⊂(24C8)(B30C8)]和[4⊂(24C8)(B42C8)]。

图2. [3]轮烷分子梭的合成。图片来源：Nat. Chem.

研究者由使用¹H和¹³C核磁共振以及高分辨率质谱分析了所得[2]轮烷和[3]轮烷，同时他们使用单晶X射线衍射来验证结构。四溴[2]轮烷[3⊂(24C8)]的结构如图3a所示，轴上只有一个大环；而带电荷的饱和[3]轮烷[4-H₂(24C8)(B30C8)][BF₄]₂的结构如图3b所示，它包含两个不同大小的环，较小的24C8在右，而较大的B30C8在左。

图3. 轮烷分子梭的单晶X射线衍射结构图。图片来源：Nat. Chem.

研究者接下来对他们设计合成的分子进行了动力学研究。他们首先比较了轴本身4（即没有大环）、[2]轮烷[4⊂(24C8)]、[3]轮烷[4⊂(24C8)(B30C8)]及[4⊂(24C8)(B42C8)]在CDCl₃溶液中的¹H NMR谱。裸轴4只有单一的NH峰被观察到（图4a），并没有大环分子内氢键。对于[2]轮烷[4⊂(24C8)]，只有一个平均的NH峰被观察到，这同时属于被占据和未被占据的苯并咪唑识别位点，因为24C8环在两个位点之间快速地穿梭，这个时间甚至短于NMR观察时间，从而导致了只能观察到一个平均的NH峰（图4b）。[3]轮烷[4⊂(24C8)(B30C8)]存在两个不同的NH信号峰，这是因为两个苯并咪唑的识别位点被两个大小不同的环占据，而与24C8小环更强的氢键使得信号峰出现位移（图4c）。然而，在2D EXSY（交换光谱）实验中，研究者并没有观察到两个NH信号的交换，甚至在DMSO-d₆中升高温度的情况下，也是如此。因此研究者得出结论，这样的体系中两个环并没有进行梭动。作为对比，在大环尺寸更大的[3]轮烷[4⊂(24C8)(B42C8)]中，核磁谱中出现两个NH的宽峰（图4d），这两个宽峰分别代表了大小环占据苯并咪唑识别位点，而宽峰的产生表明两个识别位点上可能发生了环的交换，可能B42C8环足够大到允许较小的24C8环穿过。为了证实这种新颖的“环穿环”梭动机制，研究者进行2D EXSY实验。非对角线峰的存在表明了交换的发生（图4e），也初步证实了“环穿环”梭动机制。

图4. 轮烷分子梭的核磁分析。图片来源：Nat. Chem.

为了更深入地了解这种分子梭动现象，研究者对这些[2]轮烷和[3]轮烷在不同溶剂中（甲苯-d₈和 DMSO-d₆）进行了变温¹H NMR 实验。在低温下，[3]轮烷[4⊂(24C8)(B42C8)]中的平移运动（交换）的速度十分缓慢，导致两个被占据的识别位点的峰清晰可辨。随着温度的升高，两个峰逐渐变宽、融合并最终在高于室温的情况下成为单峰（图5a）。研究者认为，这表明在更高的温度下，轴上的大环和小环能够在两个苯并咪唑识别位点上进行快速的梭动，速度快于NMR的检测时间。这种情况，唯一合理的解释就是小环穿过了大环，进行“环穿环”分子梭动。研究者还估算了[3]轮烷[4⊂(24C8)(B42C8)]的“环穿环”分子梭动的速率和能垒（图5b）。此外，如果用酸处理[4⊂(24C8)(B42C8)]以形成[4-H₂(24C8)(B42C8)][BF₄]₂，“环穿环”分子梭动仍然可以被检测到，只是速度较慢。研究者认为，中性轮烷的分子梭动速率要比带电荷的轮烷快得多，这是由于当轴带电荷时，轴和环之间的非共价相互作用会增强；此外，“环穿环”分子梭动比单个环在两个识别位点之间穿梭要更慢更困难，这是由于当一个环穿过另一个环时需要额外的能量。

图5. “环穿环”梭动机制的进一步研究。图片来源：Nat. Chem.

总之，这种带有两个不同尺寸环的饱和[3]轮烷表现出了新颖的“环穿环”梭动机制，为基于轮烷的分子开关带来了另一个维度，可指导新型动态互锁分子开关或分子机器的设计，并可能带来其他的分子级新应用。比如分子级编织，通过“环穿环”梭动让小环带着分子线穿过大环，类似宏观世界里的“穿针引线”。再比如分子级信息存储，轴上的环的顺序可在外部刺激下改变，这就意味着由环的顺序编码的数据可以写入、修改和擦除。

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Ring-through-ring molecular shuttling in a saturated [3]rotaxane

Kelong Zhu, Giorgio Baggi, Stephen J. Loeb

Nat. Chem., 2018, 10, 625–630, DOI: 10.1038/s41557-018-0040-9

导师介绍

Stephen J. Loeb

http://www.x-mol.com/university/faculty/47768

（本文由PhillyEM供稿）