电化学反应小组供稿

JACS：第二代轻燃料超分子泵

作者在文章中报道了基于类轮烷的超分子泵的模块化设计方案及其在耗散状态下的光化学驱动自发非平衡操作。该类超分子泵的特性源自于通过光触发对沿着线程坐标的能量最大值和最小值的调制的精心设计。与第一代不同，这个第二代系统可以功能化集成到更加复杂的器件中。

分子泵是一类在能量供应下可以沿着特定方向输运分子或者离子底物的纳米机器。虽然在一般情况下，底物可以沿着浓度梯度向下移动，但是分子泵可以在没有浓度梯度的情况下定向输运底物，甚至是逆浓度梯度输运底物。因此在溶液中工作的分子泵可以定向转运离子或者分子，从而在膜两侧的隔间之间产生浓度差。换句话说，分子泵的存在可以主动调节化学物质的存在，以及在膜两侧的溶液中转换和存储化学能。正因如此，分子泵是组成与维持生物体生命的部分生物分子马达的基本元素。

图 1. (a) 具有输入 S_a 和 S_b 操作的类轮烷分子泵。在此系统中，S_a = S_b = hν。 (b)定向运动棘轮的简化能量示意图。

虽然分子泵在自然界中非常普遍，但是迄今为止对于人工分子泵的研究却寥寥无几。此前已报道的人工分子泵几乎都是以类轮烷为基础。例如，由大环分子和轴分子组成，并通过非共价键稳定的超分子复合物（如图1a）。类轮烷分子泵通常是以能量棘轮机制运行（如图1b）。作为轴的无环分子，由于其结构存在不对称性，在特定方向的运动具有动力学优势；若分子泵的轴与环之间相互作用达到平衡，此时从外界施加额外能量刺激会调高体系势能的最小值，从而产生非平衡复合物。若穿轴所需电势的相对高度发生改变，环分子将会沿轴的特定方向移动，从而达到新的平衡。显然，为了能够实现此类分子泵的功能，不仅需要精心设计环分子与轴分子的特定结构，而且需要精确调控能量刺激输入的能力。

Stoddart教授及其合作者曾经报道了一类由氧化还原驱动的分子泵（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14702；Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 547），并利用它们得到了非平衡聚（类）轮烷。这项工作阐述了轴环复合物作为新型分子器件和材料的潜力。然而美中不足的是，这些分子泵不能以自发方式处理输入的能量：需人为（或者具有相同功能的外部设备）地根据运动动力学的频率，按顺序施加氧化还原刺激。尽管可以通过重复输入使得体系逐渐远离平衡态，但是这一过程耗时较长，使得分子马达的反复循环过程变得不切实际。值得一提的是所有生物分子马达都是自发循环的，在大多数情况下，可以通过催化水解ATP来自发运作。

前段时间，作者报道了一种类轮烷的分子泵（Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 547），在温和条件和恒定光的照射下能够自发工作。该体系由2,3-二萘并[24]冠-8醚1和轴2⁺组成（如下图所示chart 1），其组成包括光开关偶氮苯门、仲铵识别位点和非光活性环戊基类终止剂。实现图1b所示的棘轮功能的关键是具有冠醚和偶氮苯的片段，偶氮苯E→Z光异构化会引起复合物的不稳定和偶氮苯末端的轴程电势增加，后者的轴程电势会变得比终止位点的电势更大。实际上，终止位点的轴程电势是位于E型和Z型偶氮苯的轴程电势之间，这样才能确保分子泵操作的方向性成为可能。由于这两种偶氮苯同分异构体都具有光反应活性，并具有相同的吸收带，因此可以通过特定光照射来实现平衡态到非平衡态之间的自发循环。

Chart 1. 大环 1、第一代轴分子2⁺、第二代轴分子3⁺（本工作的对象）和具有对称构型的轴分子4⁺ 和 5⁺，对于上述所有的分子，其阴离子是PF6^–。

如果需要将超分子泵集成到更加复杂的功能性器件中，那么就要求泵的轴组件易于和其它部件连接。然而，2⁺的环戊基部分很难通过简洁和可控的方式进行功能化。另外，环戊基环上存在的两个取代基会导致顺-反式立体异构体现象从而表现出不同的轴程行为。正是由于这些缺点阻碍了此类器件的功能化，导致环戊基基团不适合作为通用的分子泵模块。

作者在确保2⁺结构设计不变的条件下，采用苯基替代环戊基，对二苄基铵型轴与二苯并[24]冠8醚的轴程动力学进行了系统的研究。其中，二苯并[24]冠8醚与化合物1具有相同的空腔。作者发现，室温条件下，二氯甲烷为溶剂，2,4-二甲基苯基结构表现出与环戊基相似的轴程行为，例如两者通过大环空腔的速度均介于 E-和 Z-偶氮苯单元的通过速度之间。因此，根据图1所示机理，并结合芳香环所具有丰富的反应活性，作者选取2,4-二甲基苯基为终止单元，设计合成了新的光活性轴类分子3⁺，并探究了它与大环 1 在黑暗和365nm紫外光照下自组装的热力学和动力学特性。该实验的目的是验证1-3⁺功能性复合物是否能够作为光化学驱动的自主分子泵，并最终是否能够观察到其在光照射下的耗散非平衡过程。

根据核磁，紫外吸收光谱和发光光谱证明，3⁺分子的E型和Z型异构体在二氯甲烷溶液中形成了1：1复合物。值得注意的是，分子1 (λ_max= 345 nm)的荧光在与轴的任一异构体的形成复合物后会发生猝灭。稳定性常数 (K)，由荧光分光光度法滴定确定（图 2）；穿轴速率常数 (k_in)，通过监测组分混合后随时间变化的吸光度变化来测量（图 2插图），连同计算的去穿轴速率常数 (k_out) 汇总在表 1 中。

表 1. 热力学和动力学常数 (CH₂Cl₂, 293 K)

^a 通过紫外-可见滴定法测定。^b 通过时间分辨紫外-可见吸收光谱测定。^c 计算为 k_out = k_in/K。^d 通过在 365 nm 处对 E 异构体进行彻底照射而获得。^f 未确定，因为络合物的形成比热 Z → E 异构化要慢

图 2. 将 (a) E-3⁺ 或 (b) Z-3⁺ 添加到 50 μM 1 后观察到的荧光滴定曲线（λ_ex = 281 nm，λ_em = 390 nm）。这些线最适合 1： 1 绑定模型。插图显示了在 1 和 (a) E-3⁺ 或 (b) Z-3⁺ 以 1:1 混合时观察到的随时间变化的吸收变化。混合后浓度：200 μM。这些线最适合包含二级正向反应和一级反向反应的动力学模型。 CH₂Cl₂，293 K。

轴类分子的Z型异构体及其复合物是通过相应的E型异构体在365nm的彻底照射而得到的，其包含 96% Z 型的光稳态 (PSS)。分子3⁺的E→Z和Z→E光异构化量子产率与偶氮苯一致，不受与1络合的影响。 Z型分子3⁺ 的半衰期在 293 K 时约为 30 小时，而当轴被大环包围时变为 64 小时。

与轴向分子2⁺的现象一样，分子1与E型分子3⁺的复合物比与Z型分子3⁺更稳定，这可能是由于分子1的萘单元与轴的E型偶氮苯单元之间存在π 堆积。但是，两种轴向分子也有不同的性质，分子1与E型分子3⁺形成复合物的稳定常数比与E型分子2的大，这可能是由于二甲基苯单元之间存在部分的π 堆积造成的；然而两者相应的Z型复合物的稳定常数大小顺序则恰恰相反。作者推测，Z-偶氮苯部分不仅不能与大环相互作用，而且还会干扰其与终止单元之间的π堆积。正是由于这种现象的存在，分子1与E型结构形成复合物的稳定常数与Z型复合物的稳定常数之比K_E/K_Z（其与1的偏离是产生光致耗散非平衡状态的关键），若轴类分子由2变为3⁺时，K_E/K_Z由3.7增加到了17。

E-3⁺分子的轴程速率常数略小于对称偶氮苯分子E-4⁺, 是分子5⁺的速率的8倍左右。与之相反，Z-3⁺的穿轴速率常数大约是5⁺的一半，比Z,Z-4⁺的大140倍。鉴于对称轴（其中两个末端可用于穿轴）与非对称轴比较时的统计因素，这些结果表明E-3⁺分子优先（大约82%）于其偶氮苯末端一起进入环分子1，而Z-3⁺分子的轴程（99%）到二甲基苯基末端为止。综合考虑，这些数据证实了光照射导致能量分布棘轮的合理性（图 1b中的基于实验确定的能量值如图 3a 所示），它赋予相对于轴-环间所具有的布朗运动方向性。

图 3. (a) 在 293 K 下 CH₂Cl₂ 中沿 1 与（左）E-3⁺ 和（右）Z-3⁺ 的脱轴坐标相对于解离组分的自由能级。(b)马达的循环运行示意图。水平和垂直过程分别表示的是自组装和光异构化反应。

与第一代的分子泵一样，这个体系另一个亮点是它能够使用光能来产生耗散状态，从而促使体系远离平衡态。与动力学俘获或亚稳态非平衡状态不同，耗散状态只有在持续提供能量的情况下才能存在。图 3b 所示的封闭反应由受微观可逆性影响的化学反应和不受微观可逆性影响的光化学反应组成。光化学分支的常数 K_u(hν) 和 K_c(hν) 可以作为光稳态下相应产物和反应物浓度的比率。在特定条件下，未复合轴和复合轴在 365 nm 照射下的稳态组成相同，即 K_u(hν)=K_c(hν)。从K_E>K_Z开始，平衡被打破，整个体系按照顺时针路径循环（图3b）；在稳态下，循环各个过程中的净速率相等但不为零。

在该研究中，作者使用¹H NMR光谱来测量连续光照下的浓度，该方法是通过将光纤引入NMR探针中进行的。在光化学循环中获得的耗散非平衡条件的一个显著特征是 [Z-3⊂1]⁺ 的积累。该分子不如 [E-3⊂1]⁺ 稳定，但它的分解过程是循环中最慢的一步，使其成为动力学终止点（图 3b）。如果整个体系由于Z复合物的终止基团无法穿过环，那么体系会很快到达光稳态，从而产生了非平衡浓度的 [Z-3⊂1]⁺（图 4）。在黑暗条件下，[Z-3⊂1]⁺的浓度在几个小时后降低了大约15%，这是由于类终止基团无法穿过环所导致的（图 4a，pale trace）。应该注意的是， Z→E的热异构化在这个时间尺度上几乎可以忽略不计（虚线）。反之，光照继续保持时，[Z-3⊂1]⁺的浓度不降低；相反，它会略微增加，直到在大约7 小时的照射后达到一个恒定值（图 4a，红色线）。在图 4b 中可以清楚地看到从耗散到动力学捕获的非平衡状态的转变。 [Z-3⊂1]⁺配合物在黑暗中消失，因为脱轴（下降较快）和热Z→E偶氮苯异构化（下降较慢）； [E-3⊂1]⁺的缓慢增加反映了后一个过程。

图 4. (a) [Z-3⊂1]⁺ 和两者 (b) 在 1:1 和 E-3⁺ (5 mM) 的 1:1 混合物上检测到的 E 和 Z 复合物的时间依赖性浓度变化365 nm 照射和黑暗条件。在最初的 300 秒内达到 PSS光稳态（橙色条）。红色和浅色的痕迹分别是指在辐射（黄色背景）和黑暗（灰色背景）下测量的浓度。 (a) 中的虚线显示了 Z 形的计算热衰减。 CD₂Cl₂/CD₃CN 1:1, 298 K

作为小结，作者描述了一种自发光驱动超分子泵，其中轴的环出口端采用苯基取代。与之前的研究体系不同的是，其轴可以在出口侧伸长，具有将分子马达集成到更复杂的分子器件的潜力。该研究为体系在耗散状态下远离平衡态的光激发过程提供了直接证据。其研究成果凸显了超分子泵系列的模块化和通用性的优异性能，再加上其简约的设计和合成的可行性，使得此类分子泵成为研究和利用光能来研究非平衡现象等动态系统的独特平台。

撰稿人：段平（博士后）

校稿人：陈力川（博士后）

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.1c06027