通过在水中的泵送作用精确合成非平衡轮烷

《Chem》：Precise synthesis of non-equilibrium rotaxanes via pumping in water

人工分子泵在纯水中高效驱动七环葫芦素环的定向运输，通过酸碱中和能精确控制聚合物的非平衡机械互锁结构，为合成分子机械与生物系统整合提供新方法。

　　

全局视角

生命依赖于那些在非平衡状态下运行的微观机器，这些机器执行减少熵的任务，例如定向运输和有序结构的组装。科学界的一个长期目标是破译这些生物机器的运作原理，最终目标是能够按需模仿甚至重新编程这些功能。在这一追求中，人工分子机器（AMMs）作为一种自下而上的替代方案应运而生，它们不同于自然进化而来的生物机器，后者通常具有结构复杂性和冗余性。人工分子机器基于基本的热力学理论和合理的化学设计，提供了无与伦比的功能多样性，使得可以创造出自然界中不存在的具有特定性质的分子装置。然而，到目前为止，能够在非平衡状态下运行的人工分子机器的实例仍然很少，能够在纯水中（生命的溶剂）工作的例子更是寥寥无几。这是因为水是一种强溶剂，会有效抑制那些用于在分子层面调控运动的极性相互作用。我们在本文中报道了一种新型的人工分子泵（AMP），它能够在纯水中有效运行，将cucurbit[7]uril环主动运输到聚乙二醇链上。所结合的环的数量由pH值振荡周期的数量精确决定，从而实现了其他方法无法实现的非平衡机械互锁聚合物的可编程合成。这项研究不仅丰富了非平衡分子装置的工具箱，而且从长远来看，为将合成分子机器与生物系统整合开辟了新的途径，潜在的应用领域包括靶向治疗递送、功能性生物杂交材料等。

亮点

•

设计了一种能够在纯水中高效运行的人工分子泵

•

利用中和能量将环精确地安装到聚合物链上

•

能够轻松合成非平衡机械互锁聚合物

•

共构由旋转环内的组分间相互作用控制

总结

水是生命的基质，在其中生物分子机器通过有序的机械运动执行重要功能。然而，在水环境中控制人工系统的主动运输在分子层面上仍然具有挑战性，这主要是由于在水中精确操控分子运动存在固有的困难。在这里，我们展示了能够在水介质中形成并维持cucurbit[7]uril环非平衡浓度差（高达350倍）的人工分子泵（AMPs）。通过合理优化的泵送装置，利用酸碱中和能量在每个循环中高效且精确地向单个或双联泵的“哑铃”结构中添加一个环。该泵在常温条件下通过简单的pH调节（2–7）即可运行。结合动力学研究、计算建模和理论分析，我们揭示了水基AMPs如何利用化学能产生并维持非平衡稳态下的高能寡聚旋转环。

图形摘要