在上一篇大量私货的序中提到了“分子马达”，今天就来聊一聊这个有趣的话题。
最早接触到这个话题是在大二裴坚老师的中级有机化学课上，这门课通过讲解十个近年发表的全合成例子学习有机合成中广泛应用的有机反应以及反应机理。十个例子中除了八个精彩的天然产物全合成外，还有两个同样令人赞叹的人工设计分子的全合成。其中就有一篇2007年发表在JACS上的分子马达的全合成（J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 376）。
这个分子中用了三蝶烯和四螺苯通过一根碳碳单键相连，因为单键可自由旋转，因此三蝶烯片段可相对于四螺苯片段旋转，类似于马达中的转子和定子。为了实现可控的化学能驱动单向旋转，在三蝶烯的三个叶片上引入了氨基，同时四螺苯片段上伸出一段柔性的末端羟基，以及能定向输送“燃料“的对二甲氨基吡啶。
设计非常巧妙，企图用对二甲氨基吡啶定向输送“燃料”甲酰氯给最近的转子叶片，然后让柔性末端羟基牵引叶片转动120度，重复三次即可完成一周转动。我当时只是个刚接触稍微复杂的有机分子的大二本科生，一下就被这种精巧的设计给迷住了，马上就抛弃了”天然产物全合成才是化学中的艺术“这种想法，跳了人工设计分子合成这个坑。
扯远了，上面设计非常精巧大胆，但是事实很无情，原作者经过各种尝试之后它都不work，最终以失败告终。非常可惜，于是我去找了这个工作最初的结果来看，1999年发表在Nature上（Nature 1999, 401, 150）
最初的设计三蝶烯只有一个叶片上有氨基，四螺苯上也没有定向输送化学燃料的片段，这个设计能成功转动120度。难以想象，这项工作在十来名科研人员的八年的尝试后以失败告终。其原因之一我想是因为这个分子的合成路线太长，一旦发现不work需要修改结构的时候，时间和人力成本太高，难以进行大量的尝试。也许work的那个结构就只需要修改一个碳链的长度，或者一个取代基的位置，但是很遗憾，我们也许永远都不会知道了。
上面是一个令人惋惜的例子，这种失败的故事在科研中实在是太多了，他们中绝大多数甚至连让大家知道的机会都没有（所以我把我不work的结果都写到SI里了我会乱说嘛- -）。我们再来看一个更成功的例子，说来也巧，当年和上面这篇Nature发在同一期back to back（Nature 1999, 401, 152）
一个精心设计的大位阻烯，光照下发生双键顺反异构，得到一个不稳定的异构体，在有热的情况下会自发异构化为稳定异构体，再进行一次光照顺反异构和热弛豫，即可完成一次单向的360度旋转。(动图见Feringa research group)
与上面三蝶烯和四螺苯的结构相比较，此分子合成相对容易，而且有更多可以衍生化和调控的地方。比如通过调控双键周围的位阻基团来控制转动速率，周期可从数年到数个纳秒（J. Org. Chem., 2014, 79, 4446），此文的通讯作者Ben Feringa靠此结构在Molecular Machinery稳坐大牛地位到今天。除了上面那篇Nature, 此结构的分子马达还有如下一些有趣的工作，列出来大家感受下。
2005年Nature, 将双键两边中的一边固定在表面，则旋转的时候只有一边会动，类似于马达的定子和转子，将溶液中的分子机器做到了表面上（Nature 2005, 437, 1337）。
2006年Nature, 将分子马达掺入液晶中，光照下驱动了一个微米级的物体，实现了微观分子驱动宏观物体（Nature 2006, 440, 163）。
2011年Nature, 将2组对称性相反的共4个“分子马达”装在一个“纳米小车”（关于纳米小车更多故事可参见我的一个回答：有哪些人除了自身主业做得好，副业也做得很厉害却不被大多数人所知？ – 成楚旸的回答）上，在STM下观测到小车一步一步沿车头方向开动（Nature 2011, 479, 208）。
2011年Nature Chemistry, 在双键beta位引入一个吸电子基，通过碱催化的差向异构化改变光照下的分子马达旋转方向（Nature Chem. 2011, 3, 53）。还记得有一次Feringa讲这个工作的时候，下面有人提问，如果把这个装到上面那个纳米小车上，岂不是还有倒车档了。Feringa说这是个好idea，不过鉴于小车两个薄厚都做了两年，他得说服有人愿意再做才行哈哈哈。
2011年Science, 在双键两端连接能协同参与催化迈克尔加成反应的基团，通过光改变双键构型，从而达到催化产物的立体构型翻转（Science 2011, 331, 1429）。
这个体系从1999年算起发了大约100篇文章了，对比上面八年无疾而终的例子，令人感慨万千。去年暑假开会有幸和大神谈（che）笑（ji）风（ba）生（dan）过（忘记合影了妈蛋），顺便提一下，分子马达应该算是Feringa大神的副业，他的主业是有机合成不对称催化。
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：成楚旸
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