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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

生物学可以通过化学燃料分子机制自主的运作，包括旋转马达，如腺苷三磷酸合酶和细菌鞭毛马达。化学家们长期以来一直在寻求用化学动力的、可定向旋转的成分来创造类似的分子结构。然而，由于以往的设计既缺乏自动能量供给能力，也缺乏方向性，因此，能够围绕单键自主360°定向旋转的分子马达一直难以实现。

近日，英国曼彻斯特大学David A. Leigh发现1-苯基吡咯2,2'-二羧酸是一种催化剂驱动的马达，可以连续地从化学燃料中转换能量，诱导连接它们的共价N-C键周围的两个芳香环重复360°方向旋转。

1999年，Feringa及其同事在Nature上报告了第一台合成分子旋转马达，该马达基于围绕双键的光驱动异构化。与此同时，Kelly等人探索了一种以化学为燃料的三联烯衍生物，在概念上与费曼棘轮有关，该棘轮绕单键方向旋转120°。英国曼彻斯特大学David A. Leigh描述了一个大环围绕另一个大环进行脉冲式或自主式化学燃料旋转的链烷，并且在最近使用碳二亚胺化学燃料来驱动基于轮烷的棘轮。这种系统的能量循环特点是可以形成瞬态激活循环。类似的活化酯和酸酐中间体已在耗散组装中得到开发，Hartley等人已经证明，将联苯酸作为酸酐会使联苯环之间的角度发生动态变化。由于以碳化二亚胺为燃料的酸酐形成及其随后的水解可在同一组条件下发生，因此可以推断，酸酐形成和/或水解的不对称催化可能会潜在地在方向上偏向由单个共价键连接的环的旋转。这需要一系列的循环构象变化，动力学门控(使动力学不对称，以提供方向偏差)和整体化学动力(打破详细平衡，符合热力学第二定律)，以创造一个定向催化剂反应循环形式的化学发动机。

 核心内容：

基于此，该工作通过分子模拟确定通过N-C单键与吡咯-2-羧酸相连的苯甲酸衍生物是此类马达分子最有希望的候选物。作者证明了1-苯基吡咯2,2 ' -二羧酸是一种催化驱动的马达，通过布朗信息棘轮机制运行，可以通过自主化学燃料驱动。用碳二亚胺处理1-苯基吡咯2,2 ' -二羧酸时，环间分子内酸酐的形成和酸酐的水解都不断发生。两个反应都是由运动控制的，引起方向偏移。因此，马达分子对碳二亚胺水合作用的催化作用不断驱动碳氮键的净方向旋转。这种方向性是由加速酸酐水解的添加剂和燃料的手性决定的，并且很容易逆转。在手性匹配的燃料和添加剂的作用下，超过97%的燃料分子在化学发动机循环中被消耗，方向性偏差高达71:29。换句话说，发动机每转三到四圈就会在方向上出现一个“错误”。26原子马达分子的简单性预示着它的结构优化和衍生物的开发，这些衍生物可以与其他部件进行交互，以完成工作和任务。

为什么选择1-芳基吡咯2,2 ' -二羧酸：

作者通过一系列1-芳基吡咯2,2 ' -二羧酸1a -d来验证理论计算的概念。理由如下：原则上，二元酸1的阿托异构体可以通过吡咯的羧基通过苯基6位的小取代基（-X=-H，-Cl，-Et，-CF₃）旋转而相互转换，而两个羧酸通过彼此的旋转应被空间阻止1型二酸通过与二亚胺反应转化为相应的1'酸酐。使用手性碳二亚胺，例如(R,R)-2，可以使这种转化通过一个阿托品异构体比另一个更快发生(I→II比IV→III快;)，通过定向偏压完成联芳基旋转的第一部分。然后，酸酐1′的形成应能够通过形成应变酸酐系链实现轴向手性形式的相互转换⇌三(II⇌III;图1a)，完成第二部分转弯。不对称有机催化剂可以区分动态交换的酸酐构象更快水解对映体(III→IV比II→I更快;图1a)，构成一个动态动力学分解将定向偏向第三步，再生二酸1。吡咯羧酸通过小的x取代基(IV→I)，就完成了围绕N-C键360º的旋转。总的来说，这样的马达分子将是燃料转化为废物反应的催化剂。它提取碳二亚胺+ H₂O化学转化为尿素所产生的能量，这是通过I→II→III→IV→I催化剂循环使电机各部件旋转定向偏置所必需的能量。

图1. 自动、连续运行、化学燃料单键旋转电机的化学发动机循环。

探究过程：

通过论证化学发动机循环的三个基本要求，建立了联芳基体系的化学燃料定向旋转。首先是电机的机械门控;即两组构象变化(II⇌III和IV⇌I)发生在不同的化学状态(二酸或酸酐)的电机。二是在相同的反应条件下，马达通过不同的机制同时发生不同的化学转变(二酸酐和二酸酐-二酸酐)(二酸酐的形成主要是碳二亚胺-尿素燃料-废物反应的结果;酸酐的水解主要通过它与水的反应)。三是电机的化学门控;即根据电机的机械状态，化学转变(酸酐生成和水解)发生的速率不同(即酸酐生成I→II的速率不同为IV→III，酸酐水解III→IV的速率不同为II→I;图1 a)。除了这三个关键需求,作者试图确定两个附加要求:第四个被催化效率(即电动机作为燃料转化为废弃物反应的有效催化剂,以最大限度地利用可用的能源使用的汽车,而不是通过背景反应损失);第五，转速与马达分子的燃料周转率有关。

图2. 机械选通1-芳基吡咯2,2 ' -二羧酸。

通过设计不同的取代基，利用不同大小取代基的动力学稳定的阿托品的形成可用于探测和表征分子马达的各个步骤。理论和实验相互验证，证实了在所有情况下，吡咯羧酸通过-X取代基旋转，而不是通过固定的羧酸，从而为阿托品异构体的相互转化提供了更低的屏障。外消旋是通过旋转转子CO₂H超过-X取代基而发生的。与二元酸动力学相反，在分子的酸酐形式中，环之间的系链意味着只有通过七元环酸酐的环翻转才能实现阿托品异构体的相互转化（II⇌III）。酸酐1′c的模拟气相最小值和过渡态能量表明293 K时该过程的障碍仅为25 kJ mol⁻¹，系链构象II和III之间的环在纳秒时间尺度上的旋转。在建立了机械浇口之后，接下来试图证明假定马达的不同化学转化（二酸到酸酐；酸酐到二酸）主要通过不同的机制在化学发动机循环中发生。通过外消旋Et取代衍生物完成化学机械玄幻，观测衍生物的外消旋速度进而确定外消旋化通过吡咯羧基通过-X取代基发生。在相同的实验条件下，以2-(n -闪啉)乙烷磺酸(MES)缓冲的CD₃CN:D₂O (7:3 v/v) (pH_obs 5.10)为燃料，研究了二酸酐的生成(由碳二亚胺水合作用)和二酸酐水解(由4介导)是同时发生的。随后，¹H NMR谱显示了少量的酸酐1'a的瞬时形成，一旦所有燃料被消耗，这些酸酐就会全部水解生成二酸1a(图3b)。这证实了两种化学转化在自动燃料条件下顺利进行。

图3. 1-芳基吡咯2,2′-二羧酸的化学转化。

化合物（±）-1c在10°C下，用手性燃料（R，R）-2和非手性水解催化剂4-二甲氨基吡啶在MES缓冲二氧六环：H₂O（7:3 v/v）中添加，产生了10% e.e的动力学捕获，证明了酸酐形成步骤的一个小的但可重复的化学门控。匹配由燃料和水解催化剂的手性产生的对映体富集迹象，可以增强马达旋转的方向性。燃料（R，R）-2与催化剂（R）-4协同工作，产生42% e.e的动力捕获。然而，（R，R）-2与（S）-4不匹配，仅给出28% e.e的动力捕获。在这些实验中，燃料和催化剂手性的匹配/失配效应是倍增的，这与燃料和催化剂在化学发动机的化学机械循环中影响不同的化学转变（即双动力学门控）是一致的。为了说明部件的旋转方向完全由燃料和催化剂的惯用手决定，而不是编码到机器的结构中，旋转方向很容易反转，在没有水解催化剂的情况下添加（R，R）-2，直到其达到10% e.e的稳定状态，并耗尽燃料。添加水解催化剂（S）-4和DIC燃料，使1c沿相反的逆时针方向旋转. 每次达到1c的新稳态时，加入相反的水解催化剂来切换对映体过量的位置，导致转子的燃料旋转方向发生逆转。进一步探究证明超过97%的燃料分子通过发动机催化路径（MES缓冲二氧六环-d₈:D₂O，10°C下7:3 v/v）反应，从中释放的能量原则上可用于发动机的工作。尽管1c不能在燃料-废物反应的时间尺度上完成360º的完整旋转，但1a和1c的催化剂动力学与非手性燃料DIC非常相似。

图4. 1-芳基吡咯2,2′-二羧酸。

小结：

总之，本文报道了1-苯基吡咯2,2 ' -二羧酸(1a)是一种由布朗信息棘轮机制驱动的原子自主化学燃料驱动马达。它的自主燃料供给促进了动力学，在没有燃料的情况下，部件不会发生360°旋转，因此在燃料耗尽后，电机所做的任何工作都不会被随机旋转所抵消。在发动机循环中，定向机械转变(即构象改变)的能垒较低(酐环翻转25 kJ mol⁻¹⁽气相);在室温溶液中，转子CO₂H经过定子6-苯基氢原子69 kJ mol⁻¹(气相)，在亚秒时间尺度上发生旋转。旋转的限速步骤是生成酸酐。然而，发动机分子将燃料转化为废物的反应加速了30倍以上，而且酐的生成速率与燃料的浓度成正比。在中等燃料浓度(50 mM)下，1a (1 mM)在室温下每次旋转约3小时。在手性匹配的燃料和水解催化剂的作用下，第一代自主单键旋转电机1a的旋转方向偏差为71:29。它的结构简单，应该有助于优化设计，以更快的旋转和更少的误差。预期可以设计出类似的系统，通过类似的原理使单键定向旋转，。

参考文献：

Stefan Borsley et al. Autonomous fuelled directional rotation about a covalent single bond. Nature. 2022, 604, 80-85.

DOI: 10.1038/s41586-022-04450-5.

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04450-5