2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

　　摘要：介紹了2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，分子機(jī)器領(lǐng)域的發(fā)展簡史、研究進(jìn)展與現(xiàn)狀、對(duì)未來前景的展望，以及這一研究領(lǐng)域的科學(xué)意義和啟迪。
　　關(guān)鍵詞：諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；分子機(jī)器；超分子化學(xué)；非平衡體系
　　文章編號(hào)：1005–6629（2016）12–0003–08 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　2016年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)定委員會(huì)宣布，將2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予來自法國斯特拉斯堡大學(xué)的Jean-Pierre Sauvage，美國西北大學(xué)的J. Fraser Stoddart以及荷蘭羅格寧根大學(xué)的Bernard L. Feringa三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诜肿訖C(jī)器的設(shè)計(jì)與合成領(lǐng)域做出的杰出貢獻(xiàn)。很多人認(rèn)為這是繼1987年Jean-Marie Lehn等人獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)后超分子領(lǐng)域的梅開二度，使得超分子領(lǐng)域的科學(xué)家們備受鼓舞。但也有一些科學(xué)家認(rèn)為，此次分子機(jī)器獲獎(jiǎng)，實(shí)屬爆了一個(gè)冷門。與同是候選的鋰電子電池技術(shù)、CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)以及RAFT/ATRP高分子自由基聚合技術(shù)相比，分子機(jī)器作為一項(xiàng)基礎(chǔ)研究仍處于初級(jí)階段，距離可預(yù)見的實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。那么，為何該領(lǐng)域能夠榮膺諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)？什么是分子機(jī)器？其科學(xué)意義何在？我們又能從中得到什么啟示呢？
　　1 分子機(jī)器的發(fā)展簡史
　　隨著分子生物學(xué)的日益發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在眾多生命體系的微觀尺度下，存在著很多渺小的但功能獨(dú)特的生物機(jī)器，它們或能吸收、轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存外界能量，或能消耗儲(chǔ)存的能量來完成各種復(fù)雜的生命功能。比如，葉綠體整體作為一個(gè)光合作用“工廠”，內(nèi)部存在著許多功能各異的生物機(jī)器，在它們的配合下，葉綠體完成光合作用的各道工序，實(shí)現(xiàn)光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)變。又如核糖體能夠翻譯RNA中存儲(chǔ)的信息將其“翻譯”成具有多種功能的多肽，細(xì)胞膜上的載體蛋白能夠完成逆濃度梯度的主動(dòng)運(yùn)輸。大自然造物主向人們展示著一個(gè)又一個(gè)精巧的生物機(jī)器，每一個(gè)都足以藐視人類現(xiàn)在所擁有的任何一臺(tái)納米機(jī)器。但是人們從遠(yuǎn)古時(shí)代起，似乎就從沒有簡單地臣服于大自然。我們能向她學(xué)到什么？能否利用從她那兒學(xué)到的知識(shí)，去探究生命的起源、解答生命的奧秘，或?qū)�抗頑疾、提高生命的質(zhì)量？那么，是不是可以從合成一臺(tái)與生物機(jī)器類似的分子機(jī)器開始？
　　分子機(jī)器設(shè)想的提出，可以追溯到上世紀(jì)中葉。1959年，在美國物理學(xué)年會(huì)上，著名物理學(xué)家費(fèi)曼Richard Feynman（于1965年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）提出，能否通過原子制造出一臺(tái)極微小的機(jī)器，實(shí)現(xiàn)諸如分子汽車一樣的人造機(jī)器。“我們可以把機(jī)器做到多��？”Feynman提出的一系列原理性問題以及對(duì)分子機(jī)器的大膽設(shè)想，為人們構(gòu)筑分子機(jī)器提供了最初的靈感。
　　時(shí)至今日，分子機(jī)器已經(jīng)有了一個(gè)比較完善的定義：分子機(jī)器是由一定數(shù)量的分子組裝而成的，能夠在外界適當(dāng)?shù)拇碳は拢ㄝ斎耄�，做出類似機(jī)械運(yùn)動(dòng)（輸出）的分子組裝體。分子機(jī)器通常需要能量來驅(qū)動(dòng)，因而需要適當(dāng)?shù)哪芰抗┙o。比較經(jīng)典的分子機(jī)器和機(jī)器部件有分子纏結(jié)、分子開關(guān)、分子電梯、分子肌肉、分子剪刀、分子馬達(dá)、分子泵、分子汽車等（圖1）[1]。
　　在構(gòu)筑一個(gè)復(fù)雜的分子機(jī)器的過程中，科學(xué)家們往往需要利用多種多樣的分子組件，進(jìn)而構(gòu)筑具有一定功能的組裝體。就好比我們要制造一輛汽車，需要各種各樣的零件，如軸承、齒輪、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)等等。因此，設(shè)計(jì)并通過有機(jī)合成來制備具有精巧結(jié)構(gòu)并能夠產(chǎn)生相互作用的分子組件，是分子機(jī)器領(lǐng)域一個(gè)重要的基礎(chǔ)課題。
　　構(gòu)筑分子機(jī)器的早期研究，得益于兩項(xiàng)重要的技術(shù)發(fā)展。其中之一是拓?fù)淅p結(jié)（topological entanglement）的提出，也就是所謂的機(jī)械鍵（mechanical bond）；其二是可異構(gòu)的不飽和鍵方面的研究。在這些方面，三位諾獎(jiǎng)得主分別做出了開拓性的重要貢獻(xiàn)。
　　1.1 拓?fù)淅p結(jié)與機(jī)械鍵
　　Jean-Pierre Sauvage的主要貢獻(xiàn)集中在利用機(jī)械鍵來構(gòu)筑機(jī)械互鎖分子（mechanicallyinterlocked molecular architectures）方面。機(jī)械互鎖分子概念的提出是分子機(jī)器發(fā)展過程中的重要一步，這完成了從研究分子本身到研究分子與分子之間的關(guān)系的飛躍，因而實(shí)際上這也是超分子化學(xué)中的重要進(jìn)步。在這些結(jié)構(gòu)中，各個(gè)分子之間并不是通過共價(jià)鍵鏈接在一起，而是相對(duì)獨(dú)立地通過環(huán)和環(huán)互穿在一起（索烴，就好比兩個(gè)鑰匙扣套在一起），或者是通過環(huán)穿在兩端有阻擋基團(tuán)封端的桿上（輪烷，就好比算盤上的一根桿和珠子）。互穿在一起的分子雖然在結(jié)構(gòu)上“連接”在了一起，但相對(duì)之間能夠自由地運(yùn)動(dòng)，只有打破某個(gè)分子用于成環(huán)的共價(jià)鍵，這個(gè)互鎖的結(jié)構(gòu)才會(huì)被破壞。在研究初期，合成這些機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)是相當(dāng)困難的，科學(xué)家們往往要通過多步復(fù)雜的反應(yīng)才能得到相應(yīng)的產(chǎn)物，而且通常產(chǎn)率很低。直到1983年，Jean-Pierre Sauvage等人率先提出了通過模板合成的方法，他們通過金屬配位，顯著地提高了制備索烴和輪烷的產(chǎn)率（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)極大地加速了拓?fù)浠瘜W(xué)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，化學(xué)家們合成了多種多樣的拓?fù)淅p結(jié)結(jié)構(gòu)，例如Sauvage等合成了三葉草結(jié)[3]、索烴、所羅門結(jié)等更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（圖3），這些結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生為分子機(jī)器的出現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　隨著對(duì)索烴研究的進(jìn)一步深入，Sauvage等人發(fā)現(xiàn)可以借助索烴的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平移異構(gòu)（translational isomerism）。他們通過金屬Cu（I）的配位與解離實(shí)現(xiàn)了索烴結(jié)構(gòu)的可逆變化，通過外界控制銅離子的配位與解離，索烴結(jié)構(gòu)中的鄰二氮雜菲能夠產(chǎn)生明顯的距離變化（11？）[4]。

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