玩出一篇Science：聚轮烷版“穿珠子”

穿珠子，幼儿园必备游戏，能很好的锻炼手眼协调及手指精细运动，就算是“神兽”级小朋友也能坐下来安安静静玩上几十分钟，堪称“镇园之宝”。

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这款看似很容易的游戏，如果把珠子和线尺寸缩小再缩小，到分子级别，还能不能愉快的玩耍？近日，美国西北大学的诺贝尔化学奖得主J. Fraser Stoddart教授、南佛罗里达大学Xiaopeng Li教授、缅因大学R. Dean Astumian教授等科学家就在分子级别挑战了“穿珠子”小游戏，合成了最多可包括十个环的聚轮烷，其中聚轮烷的“环”和“轴”分别相当于“珠子”和“线”。他们使用人工分子泵（artificial molecular pump, AMP），通过循环的氧化还原驱动的过程将一对对的环穿起来。具体来说，用来穿环的分子轴，两端可以在还原时吸引游离的环，然后在氧化时将其推向轴的中心位置，如此反复，就可以在一条分子轴上穿入多个环。相关论文发表在Science 上，第一作者为Yunyan Qiu博士。

聚轮烷版“穿珠子”（紫色代表还原态，蓝色代表氧化态）。图片来源：Stoddart Group/Northwestern University

分子机器获得2016年诺贝尔奖，使得对索烃、轮烷、分子马达的研究被更多人所重视。就聚轮烷来说，最简单、最通用的合成策略之一就是所谓的“先穿线后打结”方法，利用聚合物轴与环之间的非共价键相互作用形成假聚轮烷（类似于先用线穿上珠子），之后再使用大体积的末端单元共价连接到轴的两端，形成哑铃状结构以防止环脱落（类似于穿完珠子之后，在线两端打个结）。但是，这种合成方法有其局限性：（1）环的数量和密度不易控制，（2）其他类型的聚合物轴，如果与环的非共价键相互作用较弱的不明显，使用受限。

既然要在分子层面“穿珠子”，那么能不能用分子机器来精确控制整个过程呢？这样不但能增加控制性，也不用受聚合物轴和环之间非共价键相互作用的限制。在这个思路下，受到氧化还原驱动的AMP的启发，作者设计了一种精确控制的聚[n]轮烷合成方案（下图）。其中，CBPQT⁴⁺为环，PEG为轴且PEG两端共价连接有两个氧化还原驱动的AMP（即PolyDB⁶⁺, 下图）。AMP和CBPQT⁴⁺环都包括联吡啶鎓（BIPY²⁺）单元，基于其氧化还原转换性质，能够以能量棘轮（energy ratchet）机制实现环到轴上的泵送。每个氧化还原循环后，两个CBPQT⁴⁺环就可被同时泵送到轴上，如此反复，就可将受控数量（2、4、6、8和10）的环穿到PEG轴上（下图B），完成聚[n]轮烷的受控合成。

CBPQT⁴⁺环和PolyDB⁶⁺结构式，以及基于AMP、氧化还原驱动的聚[n]轮烷的合成。图片来源：Science

PolyDB⁶⁺两端的AMP结构包括2,6-二甲基吡啶鎓（PY⁺）库仑位垒、异丙基亚苯基（IPP）立体位垒以及二者之间的BIPY²⁺单元，三者可与CBPQT⁴⁺环形成机械键。AMP和CBPQT⁴⁺环都含有BIPY²⁺单元，二者的相互作用取决于BIPY²⁺的氧化还原转换性质。在还原后，所有BIPY²⁺单元均被还原成其自由基阳离子态CBPQT^2(+•)，从而导致两个CBPQT^2(+•)环穿入PolyDB^4(+)2(•)（下图B，II），基于自由基-自由基相互作用形成两个三自由基三阳离子配合物。在氧化后，利用分子泵带电单元（PY⁺和BIPY²⁺）与电中性单元（IPP）能垒的不平衡，带电单元之间的强库仑斥力迫使环越过IPP单元（下图B，III），随后在热弛豫过程中形成包含2个环的聚[3]轮烷（下图B，IV），完成一个氧化还原循环。第二个氧化还原循环可以产生包含4个环的聚[5]轮烷（下图B，V、VI和VII）。依此类推，可以形成包含6、8、10个环的聚[n]轮烷。

氧化还原驱动的聚[5]轮烷合成。图片来源：Science

具体实验中，作者使用二茂钴为还原剂和NOPF₆为氧化剂对PolyDB⁶⁺和大量过量的CBPQT⁴⁺进行了一个氧化还原反应循环。随后的¹H NMR谱分析证实，成功合成了仅具有2个机械互锁的CBPQT⁴⁺环的聚[3]轮烷（S-PR2¹⁴⁺，S表示分步合成法），这说明两个AMP同时正常工作。随后，作者以分离的聚[3]轮烷为起始原料采用逐步合成策略，在第二次氧化还原循环后合成了具有4个CBPQT⁴⁺环的聚[5]轮烷（S-PR4²²⁺）。以S-PR4²²⁺为起始原料重复氧化还原循环，可以合成了具有6个机械互锁环的聚[7]轮烷（S-PR6³⁰⁺）。这三种聚[n]轮烷均已通过¹H NMR谱进行了表征。除了分步合成，作者还采用一锅法合成策略，通过重复、交替地将还原剂和氧化剂添加到反应混合物中，分别对PolyDB⁶⁺进行一、二和三个氧化还原循环，来生成O-PR2¹⁴⁺、O-PR4²²⁺和O-PR6³⁰⁺（O表示一锅法）。然后，继续进行氧化还原循环，分别生成具有8和10个环的聚[9]轮烷O-PR8³⁸⁺和聚[11]轮烷O-PR10⁴⁶⁺。合成完成后，作者进行了NMR和质谱表征。

五种聚[n]轮烷的NMR表征。图片来源：Science

PolyDB•6PF₆和五种聚[n]轮烷的电喷雾电离质谱。图片来源：Science

在分步法和一锅法之外，作者还尝试开发其他合成方案，以减少由于重复添加氧化还原试剂而导致的废物累积。作者思考的方向是电化学合成，最终以分步和受控的方式完成了分别含2、4、6、8个环的聚[n]轮烷E-PR2¹⁴⁺、E-PR4²²⁺、E-PR6³⁰⁺和E-PR8³⁸⁺（E表示电化学法）的电化学合成，而且这些聚[n]轮烷分别与一锅法合成的聚[n]轮烷O-PR2¹⁴⁺、O-PR4²²⁺、O-PR6³⁰⁺和O-PR8³⁸⁺完全相同。

简评

使用分子泵来合成聚轮烷，不仅可以控制环的数量和密度，并且几乎不用考虑环与聚合物轴之间的非共价键相互作用，为聚轮烷的合成找到了一种新颖且通用的策略。此外，本文报道的聚轮烷上最多只有10个环，但理论上更多的环也并非不可能，Stoddart教授说：“我们仅受聚合物链长度的限制。” ^[1]

“这项研究让我感到非常兴奋，”Stoddart教授还说，“我认为这篇论文的重要性与过去50年来我参与过的一些最佳论文不相上下。” ^[2]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A precise polyrotaxane synthesizer

Yunyan Qiu, Bo Song, Cristian Pezzato, Dengke Shen, Wenqi Liu, Long Zhang, Yuanning Feng, Qing-Hui Guo, Kang Cai, Weixingyue Li, Hongliang Chen, Minh T Nguyen, Yi Shi, Chuyang Cheng, R Dean Astumian, Xiaopeng Li, J Fraser Stoddart

Science, 2020, 368, 1247-1253, DOI: 10.1126/science.abb3962

参考资料：

1. How to make a molecular string of rings

https://cen.acs.org/materials/molecular-machines/make-molecular-string-rings/98/i23

2. Tiny pump builds polyrotaxanes with precision

https://news.northwestern.edu/stories/2020/06/tiny-pump-builds-polyrotaxanes-with-precision/