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药学院赵德鹏教授研究团队:一种新型的化学能驱动分子马达的设计与合成


稿件来源:药学院 | 作者:药学院 | 编辑:谈荣钰、郝俊 | 发布日期:2020-10-08 | 阅读次数:


        分子马达指自然的或人造的分子机器,如生物体内的ATP合成酶,细菌鞭毛等。2016年诺贝尔化学奖授予了成功设计并合成出在外界能量输入下进行可控性运动“分子机器”的三位科学家。人造分子马达作为能量转换装置在智能材料、信息储存以及生物医疗等方面有重要应用前景。光驱动分子马达目前已得到较好的发展且在智能材料等领域得到一定应用,但其在黑暗条件下或光难以穿透的体系中的应用具有一定的局限性,因此发展跟自然界相似的化学能驱动分子马达具有重要意义。而化学能驱动的分子马达目前则面临着合成便利性、反应正交性、能量有效利用以及单向性等一系列问题。

        近日,我校药学院赵德鹏教授研究团队则在这一领域取得了进展,他们通过向联苯分子骨架引入点手性和螺旋手性,以缩合剂为燃料并结合动态内酯键的构建,通过简单的序列性反应诱导其实现围绕联苯碳碳单键单向360°的旋转。该分子马达是目前为止单向性最高的分子马达。

 

分子马达结构设计及单向旋转示意图

 

        化学能驱动的分子马达的方向性主要由所涉及反应的立体选择性决定。研究者通过在联苯骨架上部苯环引入带有手性中心的羧酸侧链,下部苯环分别引入两个酚羟基并选用两个正交的保护基(甲氧甲基和苄基)对两个酚羟基进行选择性地保护/去保护,在保证联苯开环状态下碳碳单键足够高的翻转能垒的同时可进行动态内酯键的形成。正确的羟基的释放使其在加入缩合剂后快速生成具有螺旋手性的热力学不稳定的七元环内酯(立体选择性>99%,这对实现绝对定向运动至关重要),并经过快速螺旋手性翻转释放环张力达到热力学稳定态,水解开环后由于联苯邻位取代基产生的足够的位阻使其能够实现180°的旋转且不会翻转回初使的状态,接着将该酚羟基重新保护起来并释放另外一个酚羟基,遵循相同的步骤则可完成剩下的180°的旋转。该过程中研究者通过HPLC,核磁(室温和低温)以及DFT计算进行验证,并且四种状态下分子马达结构均得到单晶,证实该分子马达实现将近100%单向360°的旋转。原则上,改变手性中心构型后能够实现相反方向的单向旋转运动。该分子马达体系的分子结构合成路线简单且收率较高,序列性控制旋转条件简单温和,通过化学能源的直接耦合实现对分子运动的精确控制,为未来构建更复杂的人工系统以及可调控药物奠定了一定的基础。

        上述研究成果以题为A Chemically Driven Rotary Molecular Motor Based on Reversible Lactone Formation with Perfect Unidirectionality的论文发表在国际TOP期刊Chem上,第一作者为澳门新葡萄京官网注册博士生张雨,通讯作者为我校药学院赵德鹏教授和荷兰格罗宁根大学的Ben L. Feringa教授。该研究工作得到了国家自然科学基金(21801260 和 21971267)和广东省手性分子与药物研发重点实验室(2019B030301005) 、广东省创新创业团队引进计划(2017ZT07C069) 等的支持。

 

        论文链接:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.07.025

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