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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
生物學可以通過化學燃料分子機制自主的運作，包括旋轉馬達，如腺苷三磷酸合酶和細菌鞭毛馬達。化學家們長期以來一直在尋求用化學動力的、可定向旋轉的成分來創造類似的分子結構。然而，由于以往的設計既缺乏自動能量供給能力，也缺乏方向性，因此，能夠圍繞單鍵自主360°定向旋轉的分子馬達一直難以實現。
近日，英國曼徹斯特大學David A. Leigh發現1-苯基吡咯2,2'-二羧酸是一種催化劑驅動的馬達，可以連續地從化學燃料中轉換能量，誘導連接它們的共價N-C鍵周圍的兩個芳香環重復360°方向旋轉。
1999年，Feringa及其同事在Nature上報告了第一臺合成分子旋轉馬達，該馬達基于圍繞雙鍵的光驅動異構化。與此同時，Kelly等人探索了一種以化學為燃料的三聯烯衍生物，在概念上與費曼棘輪有關，該棘輪繞單鍵方向旋轉120°。英國曼徹斯特大學David A. Leigh描述了一個大環圍繞另一個大環進行脈沖式或自主式化學燃料旋轉的鏈烷，并且在最近使用碳二亞胺化學燃料來驅動基于輪烷的棘輪。這種系統的能量循環特點是可以形成瞬態激活循環。類似的活化酯和酸酐中間體已在耗散組裝中得到開發，Hartley等人已經證明，將聯苯酸作為酸酐會使聯苯環之間的角度發生動態變化。由于以碳化二亞胺為燃料的酸酐形成及其隨后的水解可在同一組條件下發生，因此可以推斷，酸酐形成和/或水解的不對稱催化可能會潛在地在方向上偏向由單個共價鍵連接的環的旋轉。這需要一系列的循環構象變化，動力學門控(使動力學不對稱，以提供方向偏差)和整體化學動力(打破詳細平衡，符合熱力學第二定律)，以創造一個定向催化劑反應循環形式的化學發動機。
核心內容：
基于此，該工作通過分子模擬確定通過N-C單鍵與吡咯-2-羧酸相連的苯甲酸衍生物是此類馬達分子最有希望的候選物。作者證明了1-苯基吡咯2,2 ' -二羧酸是一種催化驅動的馬達，通過布朗信息棘輪機制運行，可以通過自主化學燃料驅動。用碳二亞胺處理1-苯基吡咯2,2 ' -二羧酸時，環間分子內酸酐的形成和酸酐的水解都不斷發生。兩個反應都是由運動控制的，引起方向偏移。因此，馬達分子對碳二亞胺水合作用的催化作用不斷驅動碳氮鍵的凈方向旋轉。這種方向性是由加速酸酐水解的添加劑和燃料的手性決定的，并且很容易逆轉。在手性匹配的燃料和添加劑的作用下，超過97%的燃料分子在化學發動機循環中被消耗，方向性偏差高達71:29。換句話說，發動機每轉三到四圈就會在方向上出現一個“錯誤”。26原子馬達分子的簡單性預示著它的結構優化和衍生物的開發，這些衍生物可以與其他部件進行交互，以完成工作和任務。
為什么選擇1-芳基吡咯2,2 ' -二羧酸：
作者通過一系列1-芳基吡咯2,2 ' -二羧酸1a -d來驗證理論計算的概念。理由如下：原則上，二元酸1的阿托異構體可以通過吡咯的羧基通過苯基6位的小取代基（-X=-H，-Cl，-Et，-CF3）旋轉而相互轉換，而兩個羧酸通過彼此的旋轉應被空間阻止1型二酸通過與二亞胺反應轉化為相應的1'酸酐。使用手性碳二亞胺，例如(R,R)-2，可以使這種轉化通過一個阿托品異構體比另一個更快發生(I→II比IV→III快;)，通過定向偏壓完成聯芳基旋轉的第一部分。然后，酸酐1′的形成應能夠通過形成應變酸酐系鏈實現軸向手性形式的相互轉換?三(II?III;圖1a)，完成第二部分轉彎。不對稱有機催化劑可以區分動態交換的酸酐構象更快水解對映體(III→IV比II→I更快;圖1a)，構成一個動態動力學分解將定向偏向第三步，再生二酸1。吡咯羧酸通過小的x取代基(IV→I)，就完成了圍繞N-C鍵360o的旋轉。總的來說，這樣的馬達分子將是燃料轉化為廢物反應的催化劑。它提取碳二亞胺+ H2O化學轉化為尿素所產生的能量，這是通過I→II→III→IV→I催化劑循環使電機各部件旋轉定向偏置所必需的能量。
圖1. 自動、連續運行、化學燃料單鍵旋轉電機的化學發動機循環。
探究過程：
通過論證化學發動機循環的三個基本要求，建立了聯芳基體系的化學燃料定向旋轉。首先是電機的機械門控;即兩組構象變化(II?III和IV?I)發生在不同的化學狀態(二酸或酸酐)的電機。二是在相同的反應條件下，馬達通過不同的機制同時發生不同的化學轉變(二酸酐和二酸酐-二酸酐)(二酸酐的形成主要是碳二亞胺-尿素燃料-廢物反應的結果;酸酐的水解主要通過它與水的反應)。三是電機的化學門控;即根據電機的機械狀態，化學轉變(酸酐生成和水解)發生的速率不同(即酸酐生成I→II的速率不同為IV→III，酸酐水解III→IV的速率不同為II→I;圖1 a)。除了這三個關鍵需求,作者試圖確定兩個附加要求:第四個被催化效率(即電動機作為燃料轉化為廢棄物反應的有效催化劑,以最大限度地利用可用的能源使用的汽車,而不是通過背景反應損失);第五，轉速與馬達分子的燃料周轉率有關。
圖2. 機械選通1-芳基吡咯2,2 ' -二羧酸。
通過設計不同的取代基，利用不同大小取代基的動力學穩定的阿托品的形成可用于探測和表征分子馬達的各個步驟。理論和實驗相互驗證，證實了在所有情況下，吡咯羧酸通過-X取代基旋轉，而不是通過固定的羧酸，從而為阿托品異構體的相互轉化提供了更低的屏障。外消旋是通過旋轉轉子CO2H超過-X取代基而發生的。與二元酸動力學相反，在分子的酸酐形式中，環之間的系鏈意味著只有通過七元環酸酐的環翻轉才能實現阿托品異構體的相互轉化（II?III）。酸酐1′c的模擬氣相最小值和過渡態能量表明293 K時該過程的障礙僅為25 kJ mol?1，系鏈構象II和III之間的環在納秒時間尺度上的旋轉。在建立了機械澆口之后，接下來試圖證明假定馬達的不同化學轉化（二酸到酸酐；酸酐到二酸）主要通過不同的機制在化學發動機循環中發生。通過外消旋Et取代衍生物完成化學機械玄幻，觀測衍生物的外消旋速度進而確定外消旋化通過吡咯羧基通過-X取代基發生。在相同的實驗條件下，以2-(n -閃啉)乙烷磺酸(MES)緩沖的CD3CN:D2O (7:3 v/v) (pHobs 5.10)為燃料，研究了二酸酐的生成(由碳二亞胺水合作用)和二酸酐水解(由4介導)是同時發生的。隨后，1H NMR譜顯示了少量的酸酐1'a的瞬時形成，一旦所有燃料被消耗，這些酸酐就會全部水解生成二酸1a(圖3b)。這證實了兩種化學轉化在自動燃料條件下順利進行。
圖3. 1-芳基吡咯2,2′-二羧酸的化學轉化。
化合物（±）-1c在10°C下，用手性燃料（R，R）-2和非手性水解催化劑4-二甲氨基吡啶在MES緩沖二氧六環：H2O（7:3 v/v）中添加，產生了10% e.e的動力學捕獲，證明了酸酐形成步驟的一個小的但可重復的化學門控。匹配由燃料和水解催化劑的手性產生的對映體富集跡象，可以增強馬達旋轉的方向性。燃料（R，R）-2與催化劑（R）-4協同工作，產生42% e.e的動力捕獲。然而，（R，R）-2與（S）-4不匹配，僅給出28% e.e的動力捕獲。在這些實驗中，燃料和催化劑手性的匹配/失配效應是倍增的，這與燃料和催化劑在化學發動機的化學機械循環中影響不同的化學轉變（即雙動力學門控）是一致的。為了說明部件的旋轉方向完全由燃料和催化劑的慣用手決定，而不是編碼到機器的結構中，旋轉方向很容易反轉，在沒有水解催化劑的情況下添加（R，R）-2，直到其達到10% e.e的穩定狀態，并耗盡燃料。添加水解催化劑（S）-4和DIC燃料，使1c沿相反的逆時針方向旋轉. 每次達到1c的新穩態時，加入相反的水解催化劑來切換對映體過量的位置，導致轉子的燃料旋轉方向發生逆轉。進一步探究證明超過97%的燃料分子通過發動機催化路徑（MES緩沖二氧六環-d8:D2O，10°C下7:3 v/v）反應，從中釋放的能量原則上可用于發動機的工作。盡管1c不能在燃料-廢物反應的時間尺度上完成360o的完整旋轉，但1a和1c的催化劑動力學與非手性燃料DIC非常相似。
圖4. 1-芳基吡咯2,2′-二羧酸。
小結：
總之，本文報道了1-苯基吡咯2,2 ' -二羧酸(1a)是一種由布朗信息棘輪機制驅動的原子自主化學燃料驅動馬達。它的自主燃料供給促進了動力學，在沒有燃料的情況下，部件不會發生360°旋轉，因此在燃料耗盡后，電機所做的任何工作都不會被隨機旋轉所抵消。在發動機循環中，定向機械轉變(即構象改變)的能壘較低(酐環翻轉25 kJ mol?1(氣相);在室溫溶液中，轉子CO2H經過定子6-苯基氫原子69 kJ mol?1(氣相)，在亞秒時間尺度上發生旋轉。旋轉的限速步驟是生成酸酐。然而，發動機分子將燃料轉化為廢物的反應加速了30倍以上，而且酐的生成速率與燃料的濃度成正比。在中等燃料濃度(50 mM)下，1a (1 mM)在室溫下每次旋轉約3小時。在手性匹配的燃料和水解催化劑的作用下，第一代自主單鍵旋轉電機1a的旋轉方向偏差為71:29。它的結構簡單，應該有助于優化設計，以更快的旋轉和更少的誤差。預期可以設計出類似的系統，通過類似的原理使單鍵定向旋轉，。
參考文獻：
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
