摘要
生物系统主要利用化学能为自主分子马达提供燃料，使系统失去平衡1．从旋转马达中获得灵感，比如细菌鞭毛马达2还有三磷酸腺苷合成酶3.以及在光动力单向旋转分子马达成功的基础上4，5，6在美国，科学家们一直致力于设计完全由化学能驱动的合成分子马达7，8，9，10，11，12，13．然而，设计使用化学燃料自主运行的人造旋转分子马达，同时具有固有的结构设计元素，以允许像三磷酸腺苷合成酶那样完全360°单向旋转运动，仍然具有挑战性。这里我们展示了一个同手性联芳基Motor-3，具有三个不同的立体化学元素，是一个旋转电机，在化学燃料驱动的单键轴周围，两个芳基进行重复和单向360°旋转。它经历了连续的酯环化、螺旋反转和开环，在自主旋转循环中实现了高达99%的单向性。分子旋转马达可在两种模式下工作:化学燃料脉冲同步运动和酸碱振荡;以及在化学燃料的存在下在基本的水条件下的自主运动。这种旋转电机设计具有内在的旋转方向控制，简单的化学燃料自主运动和近乎完美的单向性，说明了未来几代多部件机器执行机械功能的潜力。
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12月22日
编者按:请注意，作者已经发现，本文中报道的分子马达的运动似乎对燃料消耗过程中发生的pH值变化非常敏感。进一步的编辑回应将基于对这一问题的调查。
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确认
感谢国家自然科学基金(21971267)、中央高校基本科研业务费专项资金(22lgqb34)和广东省创新创业团队引进计划(2017ZT07C069)的支持。B.L.F.感谢欧洲研究委员会(ERC;B.L.F.)和荷兰教育、文化和科学部(引力项目编号024.001.035)。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
d.z.， k.m.， Y.Z.和B.L.F.构思了这个项目。k.m.、y.z.、Z.D.和X.M.进行了分子马达的合成，并对其运动进行了表征。K.M.和Y.Y.进行了所有的XRD测量和结构分析。D.Z.和B.L.F.指导了这项研究;K.M, Y.Z, D.Z.和B.L.F撰写了手稿。所有作者讨论了结果并对手稿进行了评论。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢何田和其他匿名审稿人对本工作的同行评议所作的贡献。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
图1 3-Me、Motor-1-Me、Motor-1-K和mom衍生热力学产物(Motor-1-T-MOM)的单晶结构。
(a)分子马达的绝对构型也是由单晶x射线衍射确定的年代或R表示羧基α位手性中心的构型，年代或R '表示苄基位置的手性中心的构型)。相应甲酯的单晶x射线衍射实验3-Me而且Motor-1-Me进行了深入了解构型和环化选择性之间的关系。结果表明，羧基的取向是实现高选择性环化的关键。沿着联芳基C-C键(旋转轴)看，(年代，年代) - - -syn同分异构体−1有利于与定子芳基右侧的羟基形成桥接，只生成动力学异构体。然而，在()中羧基α-位置的甲基(R，年代) - - -反同分异构体3.阻止羧基与定子芳基右侧的羟基反应，从而与左侧的羟基成环，形成主要的热力学异构体。(b)的单晶x射线衍射Motor-1-K和MOM-protectedMotor-1-T-MOM确认旋转方向Motor-1是顺时针方向。有趣的是注意到八元环的桶形构象Motor-1-T而且Motor-1-K．在Motor-1-K，甲基为伪轴向，甲氧基为伪赤道向。然而，在的情况下Motor-1-T甲氧基为伪轴向，甲基为伪赤道向。八元环翻转可以用Winstein-Holness A值来解释，该值用于描述取代环己烷中赤道取代基相对于轴向取代基的构象偏好。由于甲基的A值(1.7 kcal/mol)大于甲氧基的A值(0.6 kcal/mol)，甲基有较强的赤道位置倾向，这也推动了联芳基的螺旋反转和转化Motor-1-K来Motor-1-T（P来米）.
扩展数据图21Motor-1三个站的H NMR谱。
1三种状态的氢谱(电机1，电机1- k，电机1- t)在180°单向旋转时。第一步，Motor-1被环化得到高能异构体Motor-1-K在0°C的DCM中存在燃料EDC，这是旋转半周期中唯一的能量输入步骤。Motor-1-K不稳定异构体然后经历了能量的下坡螺旋反转，以产生Motor-1-T最终比T/K = 4/1。动力学数据的分析提供了激活的吉布斯自由能Δ‡G°= 103.6 kJ/mol (t1／2在298.15 K时= 45小时)(补充图。9）.
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莫K，张勇，董智。et al。本质上是单向化学燃料旋转分子马达。自然609， 293-298(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05033-0
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05033-0
