轮烷

本Valsler

本周，卡特里娜Krämer介绍了预示着未来的化合物，专门的化学物质为我们制造新分子…

卡特里娜克莱默

制造分子是困难的。化学家花费大量时间来研究哪些化合物必须在何种条件下才能形成新的化学键。研究出如何制造一种特定分子可能需要很长时间——例如，抗疟疾药物和奎宁水调味剂花了150年。

包括英国曼彻斯特大学的David Leigh在内的一些化学家认为，我们应该开发一种可以编程的机器，它可以提取单个官能团，并将它们组装成所需的分子。这将使制造复杂的自然产物的过程变得相当简单。

大卫利

例如，我们在工厂里看到机器人通过机械运动和操纵部件来组装汽车和其他复杂的物体。有人可能会问为什么我们不能在分子水平上做到这一点?为什么我们不能用分子机器人来为我们建造东西呢?人们开始朝这个方向发展。

卡特里娜克莱默

在过去的二十年里，利和他的团队已经开发出了第一批分子机器。一种叫做轮烷的奇特分子是这一成就的重要组成部分。

轮烷看起来不像任何其他分子:它们是机械连锁结构，由两个独立的部分组成，实际上彼此没有化学结合。其中一部分看起来像一个哑铃——一个长长的分子，两端都有笨重的部件，称为塞子——另一部分是一个巨大的环形大环，滑过哑铃的中间。就像你的手防止手镯从你的手臂上掉下来一样，塞子防止宏观循环从哑铃上滑下来。

当轮烷刚被发现时，制造它们非常困难。

大卫利

轮烷是在50年前的今年首次被制造出来的，在1967年哈里森和哈里森在JACS上发表的一篇里程碑式的论文中，他们通过将一个大环穿过连接到聚合物支架上的链来制造轮烷，他们将这些大环添加到末端并塞住。他们做了70次，重复70次为了得到6%的轮烷收率。

卡特里娜克莱默

幸运的是，研究人员很快就找到了更好的制造轮烷的方法。化学家们不再只是希望单个碎片以连锁的方式反应，而是通常使用一种金属催化剂来聚集单个碎片，使它们保持一定的排列方式，从而促进轮烷的形成。

科学家们很快意识到，这种机械连锁的形状不仅仅是一种奇怪的现象;它们可以构成分子机器的基础。在宏观世界中，我们不可避免地将机器与机械上相互联系的部件联系在一起——只要想想像螺母穿在螺钉上这样简单的事情。在分子水平上，像轮烷这样的机械连锁结构在解决像控制机器相对运动这样的挑战时特别有用。

在思考分子机器如何工作时，把它们比作宏观机器是吸引人的，但也是误导的。与我们稳定的环境不同，热运动使分子世界更加不稳定。

大卫利

机器在大世界中工作的方式实际上与物质在分子世界中的行为非常非常不同。所以在这个大世界里，我们谈话时我看着你用的笔记本电脑是一个静止的物体，除非我在谈话过程中碰巧把它打翻了，否则它就是静止的。但如果这是一个分子大小的物体它根本就不是静止的，它会不断地进行随机热运动。

在分子世界中，让物体移动并不难，难的是控制运动的方向。这是一个与大世界截然不同的命题。在分子世界中，轮烷结构是非常有用的因为它们允许大振幅运动，大运动，但只在你关心的维度上-只有环沿着轨道运动，链和与之正交的环的随机热运动无关，你可以试着在自然维度上控制运动。这就是为什么轮烷很重要的原因之一。

卡特里娜克莱默

然而，考虑到这一点，利的团队设法建造了一个功能分子机器，非常像全合成机器，这是每个有机化学家的梦想。

大卫利

几年前，我们制造了一种轮烷，其中一个环沿着轨道移动，在它沿着轨道移动的时候，它会捡起积木，然后从它上面建立一个新的连续的肽序列。我非常喜欢这个，因为它让人联想到生物制造蛋白质的方式，氨基酸序列，因为核糖体也沿着一条链移动——一条信使RNA链——并使用该序列信息将积木组合在一起来制造蛋白质。我们试图用轮烷结构来模拟这个过程，只是人工的而核糖体是生物的。

卡特里娜克莱默

尽管利的肽合成机器远没有细胞合成机器复杂，但人们必须记住，后者的制造经历了数百万年，而科学家们在人工分子机器上的研究还不到一个世纪。

大卫利

还有各种各样的障碍需要克服。首先，你必须学会如何控制分子的运动，而化学家们在对特定刺激做出反应方面已经非常擅长了。然后我们要做的是能够对这些运动进行编程，使正确的运动以正确的顺序发生，如果你改变程序-如果你改变运动的顺序-你会得到一些不同的产物，或者与不同的输入顺序相比会发生一些不同的事情。所以这是一件很重要的事情，我们需要分子机器能够做到这一点，目前还没有人能够做到。当然，生物学已经向我们展示了这是可能的通过DNA复制的工作方式等等。

所以仍有许多障碍需要克服，但人们正在取得进步，而且进展得越来越快。我希望用不了多久，我们就能看到分子机器能够做其他任何方式都做不到的事情。

卡特里娜克莱默

虽然轮烷可能还需要几年时间才能帮助我们克服合成难题，但研究人员已经用机械连锁的分子制造出了各种各样的分子机械:电梯、穿梭机、开关、棘轮甚至螺旋桨。科学界清楚地看到了轮烷的未来:2016年，让-皮埃尔·索维奇、弗雷泽·斯托达特和本·费林加因“分子机器的设计和合成”获得了诺贝尔化学奖。

本Valsler

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下周了解更多关于多功能化合物氯化铯的信息。在那之前，给我们写信，告诉我们你想知道的任何化合物-推特@chemistryworld或电子邮件chemistryworld@rsc.org．我是本·瓦尔斯勒，感谢收看。