1、2016诺贝尔化学奖介绍,关于分子机器、分子电梯,让-皮埃尔绍瓦热(Jean-Pierre Sauvage)是法国配位化学家，1944年出生于巴黎，他在路易斯巴斯德大学取得博士学位，现任法国斯特拉斯堡大学教授，研究领域主要为超分子化学。J弗雷泽斯托达特(Sir J. Fraser Stoddart )是英国合成分子化学家，1942年出生于爱丁堡，现任美国西北大学教授，他的研究专长为分子纳米技术及均相催化。伯纳德L费林加(Bernard L. Feringa )是荷兰合成有机化学家，出生于1951年，他于1978年在荷兰格林罗根大学取得博士学位，现任格林罗根大学化学系教授、荷兰科学院副院长。他的
2、研究兴趣包括立体化学、有机合成、非对称催化、分子开关及机器、自组装及分子纳米系统。,1983年，让-皮埃尔索维奇迈出了分子机器研发的第一步他成功地将两个环形分子连接起来，形成一根链，并命名其为“索烃”。通常情况下，分子之间通过强共价键这种子之间共享电子的方式相结合，但在链状分子中，分子的结合则是通过自由力结合。一部机器要能执行任务，它的各个组成部分之间必须具有相对运动的能力。这两个相互扣合的环形分子符合这个要求。,到了1991年，J. 弗雷泽斯托达特爵士完成了分子机器研发的第二步研究出轮烷。他将一个环形分子套在一个线性分子上，该环形分子能够以线性分子为轴移动。之后，他以轮烷为研究基础，研发出分
3、子“起重机”，分子“肌肉”和分子计算芯片。,伯纳德L. 费林加则是研究出分子马达的第一人。1999年，他研究出分子旋转叶片，其能同向持续旋转。利用分子马达，他让一个比马达大上1万倍的玻璃杯成功旋转，此外，他还设计出一辆纳米车。,这些图片都是由分子制成的链条、车轴、轮胎、马达、纳米车和纳米火车。,也就是说获奖的三位化学家分别迈出了人类在“分子机器”的三步曲，第一步，让-皮埃尔索维奇做了一个最简单的零件，将两个环形分子连接起来，形成一根链，并命名其为“索烃”。第二步，J. 弗雷泽斯托达特爵士做了一个带轴的轮子，这个轮子还可以轴为中心转动。他将一个环形分子套在一个线性分子上，这就是轮烷。第三步，伯纳
4、德L. 费林加则是制造出分子马达的第一人。他做了个分子旋转叶片，其能同向持续旋转。利用分子马达，他设计出一辆纳米车。,这些机器都是由一个个分子组装而成，选择不同的分子，可制成钢性的底盘，柔性的轮胎，其动力由于分子翻转而产生，又可由各种分子、离子通过相互识别来控制动力的开关、大小和快慢。,制造这些分子机器最可能实用化的是生物医学-用于靶向药物传递，缓释等；计算机-使CPU运算速度达到量子速度；材料-新型的传感器，识别有害有毒物质，或医疗检测。,超分子化学的研究范畴非常广泛，但还没有一个完整、准确的定义和范畴。1987年获得诺贝尔化学奖是超分子化学发展的一个重要里程碑，当年化学诺奖的得主是Dona
5、ld J. Cram、Jean-Marie Lehn和Charles J. Pedersen，他们的主要贡献是设计和合成了可以模拟生物中锁钥关系的主体分子，这些主体分子可以选择性的识别客体分子。超分子化学的概念由Jean-Marie Lehn提出，并将其定义为“超越分子层次的化学”（有很多人误解超分子是指分子量大的分子，这里做个澄清）。也就是说，超分子化学不是研究某一个单一的分子，而是研究的两个及以上的分子之间的行为。这些分子通过非共价键结合在一起，比如氢键、静电作用、-作用、离子-作用、疏水作用、配位键等等。,传统的超分子化学主要研究大环化学，其中大环包括冠醚、环糊精、杯芳烃、卟啉与环蕃、大
6、环多胺、瓜环或葫环联脲等等。在分子机器领域，有两类分子体系极其常见，索烃（catenane）和轮烷（rotaxane）。索烃是指两个或两个以上的大环套在一起，除非环分子内的共价键断开，否则互锁的环不能够分开（如下图，上）。轮烷是指由一个环状分子套在哑铃状的线型分子上，从而形成自锁的分子体系（如下图，下）。“机械键”是该领域化学家的常用名词，他们认为在索烃和轮烷中，环与环、环和线之间以机械键结合，这一类体系应归为超分子化学领域，因为他们都是研究分子与分子（环分子与环分子、环分子和线分子）之间的作用，而非某一分子的行为。,上世纪80年代，在Jean-Pierre Sauvage开始独立科研生涯后，
7、他发现可以利用金属铜离子配位模板合成索烃（下图）。首先，在环形的冠醚中引入菲罗琳，另一个半月形的分子中也含有菲罗琳；加入铜离子后，这两个分子依靠配位作用连在一起，接着进行关环并除去铜离子便可以得到2索烃（2catenane）（Tetrahedron Lett., 1983, 24, 5095-5098）。这一发现将索烃的合成效率从原先的百分之几提高到百分之四十二。,3catenane、三叶结、所罗门结。图片来源：JACS; Angew. Chem. Int. Ed.,自此之后，具有各类拓扑形状的分子体系便层出不穷，下图为Sauvage团队合成的3索烃（J. Am. Chem. Soc., 19
8、85, 107, 6108-6110）、三叶结（Angew. Chem. Int. Ed., 1989, 28 , 189-912）、所罗门结（J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 375-376）。当然，拓扑化学不是此次获奖的原因。,Sauvage发现通过控制一价铜离子的除去和添加，可以调控环分子之间的距离。1994年，又发现当索烃中一个环含有不对称的两个配位位点时（一个含有三个吡啶环、一个含有菲罗琳），通过控制铜离子的价态，可以研究一个环绕着另外一个环旋转的现象（下图）（J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 9399-9400）。这便是非生物分子
9、机器的第一个雏形，这也为他今年获得诺奖奠定了坚实的基础。,接着， Sauvage团队又发现了可以通过电化学或光化学控制的准轮烷、轮烷和索烃结构，这些发现的中心思想都是一致的，都是通过金属离子模板法合成轮烷或索烃的结构，再通过外界刺激诸如光化学或电化学或热能，使套在一起的两个分子发生位移或旋转。例如下图，钌离子的不同配位在光能的作用下控制索烃环的移动（Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2392-2395）。,在这一系列发现过程中，Sauvage团队的方法逐渐成熟，并有很多应用上的问题被攻克，在上世界90年代受到了很多课题组的追捧。2000年左右，他们又发现了一种菊
10、环链的结构，分子菊链是由多个单体分子组装形成，这些单体分子一般具有一个环型（主体）和线型（客体）单元，可以通过分子间作用力自组装为环状或链状的超分子，在外界的刺激下，二聚物的两个单体可以来回穿梭，就像是肌肉的伸展和收缩一样，所以这类通过自组装形成的分子被称为“人造分子肌肉”，下图中的二维菊链结构可以收缩和伸展大约2 nm的距离（Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 3284-3287）。台湾大学邱胜贤（Sheng-Hsien Chiu）团队合成机械互锁菊链分子作为多维度人造分子肌肉（点击阅读详细），邱胜贤教授在UCLA求学时期的导师正是与Sauvage分享今年诺奖的
11、Sir J. Fraser Stoddart。,如果说Jean-Pierre Sauvage是在分子机器领域跨出了第一步的话，这第二大步就是Sir J. Fraser Stoddart迈出的。1991年，Stoddart教授合成了第一个轮烷分子梭（molecular shuttle）。首先线型分子上含有两个相同富电子位点，开环的分子上含有缺电子基团，因此，在环闭合时，它就穿在了线型分子上形成2轮烷（2rotaxane）。在加热条件下，大环分子可以在线型分子上的两个位点之间来回穿梭，两端的大位阻基团可以防止环状分子脱离线型分子，并保证了不错的产率，其中大环可以在室温条件下沿着两个位点来回穿梭20
12、00多次（J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 5131-5133）。,Stoddart教授并没有就此止步，为了更准确的控制环状分子的位置，他对线型分子上的两个富电子位点中其中一个进行了修改，从而形成了强弱两个识别位点，这样便可以以氧化还原的方式或者pH的改变控制大环在线型分子上的落点，这便是最初的分子开关雏形（Nature, 1994, 369, 133-137）。,自此之后，该组便开始利用轮烷来构筑各种分子机器，诸如分子电梯、分子肌肉等等。下图便是该组设计的分子电梯，他们巧妙的构筑了一个三维立体轮烷，红色为含有三个冠醚的主体分子，蓝色和灰色代表了含有三个线型分子的客体
13、，每个线型分子含有两个接受位点：一个铵基，另一个为双吡啶。在酸性条件下，由于【N+-H - -O】氢键比【C-H - -O】作用强很多，冠醚环会落在铵基上；而碱性条件下，强的【N+-H - -O】氢键被摧毁，所以冠醚环会移动到双吡啶上。因此，通过调节酸碱性，冠醚环可以上下两层移动大约0.7 nm的距离，这一过程所需要的力大约是200 pN （Science, 2004, 303, 1845-1849）。,2005年前后，Stoddart团队设计了一种3轮烷结构的分子肌肉，并将其链接在金薄片的表面，在外界的刺激下，两个环型分子可以收缩和伸展2.7 nm，并造成薄片的弯曲，其中产生的力大约在10
14、pN（J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 9745-9759）。,该组还尝试制造分子级别的电子设备，例如分子逻辑门（logic gate）和存储（memory）设备。1999年，他们将轮烷单层镶嵌到电极中构成可配置的分子开关，通过检测还原电压下的电流来读取开关的状态，这些分子开关可在施加氧化电压时被打开，而分子逻辑门就是一个由多个这种分子开关组成的阵列。这些逻辑门的高低电流可以有效的分开，与基于二极管的逻辑门相比，这种设备可进行电动调控，而且可在很宽的电压范围内保持逻辑门必需的非线性性质，在性能上是一个非常大的提高（Science, 1999, 285, 391-394
15、）。,2007年，Stoddart团队设计了轮烷分子存储（下图），分子两端的大位阻基团一个亲水一个疏水，将其接在微电子器件电极的两端，通过施加适当电压改变分子的状态就能实现在其上“读”和“写”的功能。最终制备的分子器件大概能存储160 kbit的信息，存储密度为100 Gbit/cm2（Nature, 2007, 445, 414-417）,诺贝尔奖表彰Bernard L. Feringa的并不是他在超分子领域的贡献，而是独立设计的首个可以单向旋转的分子马达（molecular motor），这种分子马达利用大位阻烯在光照条件下完成顺反式结构变化来实现分子级别的运动（下图，只是单一分子，并不涉
16、及两个或多个以上分子的作用）（Nature, 1999, 401, 152-155）。最初的分子马达旋转效率并不高，随后，该组设计了好几代分子马达，于2014年他们将其旋转效率提高到每秒1200万次以上（Photochem. Photobiol. Sci., 2014, 13, 241-246）。,随后，他们又将这种大位阻烯分子马达链接在金表面（下图），其中，上半部作为螺旋桨，下半部为固定片，中间通过双键链接，尾部连有巯基。整个分子连在金表面，在光能和热能的作用下，可以使双键进行顺反式的转化，实现了金表面光驱动单向旋转的分子螺旋桨功能（Nature, 2005, 437, 1337-1340）
17、。,同样的道理，2006年，他们将分子马达连接在液晶薄膜表面，在光照的条件下，可以使液晶表面比分子马达大数千倍的物体进行旋转（Nature, 2006, 440, 163-163）。,2006年，Feringa课题组开发了一种可以使用“化学燃料”的新型分子马达系统联芳烃分子（下图）。以单键为轴，通过对酚基转子的选择性保护/去保护以及内酯化，驱动转子相对于萘基定子转动（Science, 2005, 310, 80-82）。今年早些时候，Feringa团队还对这一系统进行了改进，通过基于有机钯催化剂的氧化还原循环完成一次完整的旋转（Nature Chem., 2016, 8, 860-866，,2
18、011年，他们设计了汽车形状的分子（如下图），这种“纳米汽车（nanocar）”包括四个含有大位阻烯的马达分子作为“车轮”，通过控制四个马达分子的不同构象（顺反），这台纳米汽车可以在金属铜表面自由的行动（Nature, 2011, 479, 208-211）。,回顾完今年诺贝尔化学奖得主的工作脉络，可能有不少人会感叹终于是“纯化学工作”得了化学诺奖，也许还有人会想，分子机器从出现概念到现在的时间不算长，在实际应用方面几乎还是空白，为什么能打败之前预测的大热门目前地球上几乎人手一块的锂离子电池最终问鼎今年诺奖呢？笔者窃以为，一是这些工作中的“Chemistry”足够惊艳，二是这些工作打开了一扇大门，有可能将人类的“机械文明”带入一个全新的分子维度，其中蕴含着无限的应用可能性。瓦特设计出改良蒸汽机的时候，也没有想到这台机器能带来影响人类文明进程的“工业革命”吧。,
