围绕轴的定向旋转不仅是各种机械装置的基础，还可能在未来的纳米机器中发挥关键作用。作为后者的代表性工作，2016年的诺贝尔化学奖得主Bernard L. Feringa教授团队曾合成了以光驱动C=C双键旋转为特征的分子马达。目前，研究表明由相反的酰化和酯水解路径驱动自主化学燃料可在C-N单键上实现定向旋转，并与碳二亚胺类燃料的放热水解反应耦合，形成循环反应网络。类似的反应网络也被用于驱动定向平移运动，并为远离平衡态的超分子结构供能。然而，目前尚无基于其他反应网络的合成化学燃料驱动的分子马达，进而说明寻找兼容的逆反应对仍是一个大挑战。
尽管自然界存在多个可同时进行还原与氧化的系统，但循环氧化还原反应网络尚未用于驱动人工分子马达的单向运动。近日，英国布里斯托大学Jonathan Clayden与 Beatrice S. L. Collins等研究者利用氧化还原循环反应网络驱动分子马达。他们通过生物催化氧化与化学还原的协同作用，在非平衡态下实现联苯结构分子的定向运动，提出了一种用于人工分子机器的新颖能量转换机制，进而突破了传统酰化-水解反应网络的限制。相关成果发表于Nature上。
图1. 循环去消旋化作为单向旋转模型。图片来源：Nature
首先，作者基于循环去消旋化来进行设计。循环去消旋化可通过耗散型循环反应网络，从外消旋混合物中实现某一特定对映体的逆热力学富集。如Turner等人提出的氧化还原驱动拆分体系（图1a）中，外消旋α-甲基苄胺经对映选择性氧化与非立体选择性还原结合，富集反应活性较低的 (R)-α-甲基苄胺。其中，该过程通过氧化生物催化剂（如单胺氧化酶）实现氧化与还原反应的同步。除此之外，另外一个相关循环去消旋化的模型尚待研究，其反应路径不经过瞬态非手性中间体（如图1a中的亚胺），而是通过一对快速互变对映体组成的瞬态状态实现（图1b）。轴手性二醇1氧化生成羟醛2，因其酚羟基与醛羰基之间的键合作用，进而导致此类化合物在室温下快速消旋。与Turner提出的单手性中心循环去消旋化过程（图1a）类似，若手性异构体 1 氧化生成羟醛 2 的过程中表现出对映选择性，并与非选择性还原回二醇 1 相耦合，则可实现该手性异构体的去消旋化。此类去消旋化过程伴随着净定向运动：当 1 向 2 的转化具有对映选择性时，2 的对映异构构象体所形成的快速互变异构混合物将仅从一个方向被接近；每次 (Sa)-1 转变为 (Ra)-1 时，从上方观察，上环会发生 180°逆时针旋转。作者通过对联苯消旋底物1的微小结构改动进而引出一种单向旋转分子马达的简化设计（图1c）。该设计使用相同的循环反应网络，并应用于结构高度相似的分子3。然而，对非手性分子3通过对映选择性氧化生成对映体富集的手性单醛 (Sa)-4，其因酚羟基与醛羰基的键合作用迅速外消旋。由单醛4出发，经非对映选择性还原生成3进而再次进入循环。特别的是，经历一次完全对映选择性的氧化-还原循环后，约 50% 的三醇 3 在单醛中间体 4 的外消旋过程中发生了 180° 逆时针旋转。部分3以化学上不可区分的旋转异构体形式返回，其中两个羟甲基交换位置。继续氧化三醇 3 中的第二个羟甲基（紫色标记），使该旋转后的部分再次进入循环，并在后续过程中继续旋转。综上，该耗散型氧化还原循环不再支持去消旋化，而是驱动持续、自主的净定向旋转。
随后，作者对联苯旋转马达进行了研究。该联苯旋转马达由两个苯环组成：一个作为“转子”，在两个邻位带有羟甲基；另一个作为“定子”，在最后一个邻位被取代基 R1取代。R1 的性质可调节马达在还原态（三醇 3）和氧化态（单醛 4）下的旋转能垒，从而优化其功能。基于此，作者以邻氟三醇 3a（R1 = F）作为候选分子，其还原态 3a 构型稳定，而氧化态 4a 构型易旋转（图1d）。通过去对称化衍生物法估算了 3a 和 4a 的旋转能垒。实验表明：100 °C甲苯中加热两天后，硅醚 5a 的对映体富集样品未发生可检测的消旋化（ΔG‡rot > 136 kJ mol−1）。将 4a 与 Mosher 酰氯 7 反应生成酯 6a，其轴向非对映异构体在 1H 和 19F NMR 谱中呈现清晰分离信号。
图2. 联芳基化合物 1a 的去消旋化拆分。图片来源：Nature
接下来，作者以手性类似物1a的循环去消旋化体系为模型构建了一种循环反应网络，进而同时时间对非手性底物 3a 的对映选择性氧化和对中间体 4a 的非选择性还原。即以 NADP 为辅因子、NADPH 氧化酶（YcnD）为辅因子再生系统、氧气为氧化剂的筛选平台，对多种ADH进行了研究。结果表明：在反应起始时加入10 equiv的氨硼烷后， ADH 291 是 1a 去消旋化的高效催化剂（图2）。进一步优化辅因子再生系统、pH 和温度后，24 h内以96%的产率和94% e.e.获得 (Ra)-1a（图2a，entry 5）。此外，反应监测表明（图2b），在约 24 小时内，(Ra)-1a 的 ee 值随氧化-还原循环逐步升高。其中，1a 的去消旋验证所提出的氧化还原循环反应网络的机制：对映体富集只能通过 1a 与 2a 之间氧化与还原路径的协同运行实现，且两条路径并非彼此的微观可逆过程。同时，1a 的高效去消旋化揭示了反应速率的层级关系：2a 的对映体化速率必须快于其还原回 1a 的速率；而 2a 的还原与对映体化速率又必须快于 1a 的氧化速率。该动力学关系可表示为：renant > rred > rox(Ra,Sa)。此外，1a 的去消旋进一步证明氧化反应具有立体选择性，即 rox(Sa)/rox(Ra)≠ 1。
图3. 分子马达 3a 在循环氧化还原网络中的运行表现。图片来源：Nature
作者以3a为模型底物来构建一个类似的循环氧化还原反应体系，进而驱动候选马达分子3a的旋转运动。实验表明，ADH 291 能高效催化三醇 3a 氧化为单醛 4a。在此条件下，以 ADH 291 处理 3a，并在反应开始时加入10 equiv的氨硼烷，48 h后反应体系中仅检测到 3a（图3a）。当使用氘代试剂 H3N•BD3 替代 NH3•BH3时，氘原子被引入至 3a 的苄基位（图3b），从而证实该体系下马达分子 3a 的化学结构保持不变，并经历了多轮氧化-还原循环。另一方面，通过定期向 3a 分批加入亚化学计量的氨硼烷，证实该循环氧化还原反应体系在长时间内仍保持活性（图3c）。3a 是循环氧化还原反应网络的有效底物，在标准操作条件下（即 [H3N·BD3]0 = 100 mM），3a 可经历多轮氧化-还原循环，且氧化系统在至少 96 h内保持活性。然而，实现定向旋转的前提是4a 的对映异构化速率必须大于其还原速率（renant > rred）；若该条件不满足，马达将在 3a 与 4a 之间来回转换，但不会引发双芳基轴的旋转。此外，马达的高效运行还依赖于 3a 的氧化速率为三个关键步骤中最慢的一环（renant > rred > rox(Ra,Sa)），且该氧化过程具有立体选择性，即 rox(Sa)/rox(Ra)≠ 1。在 1a 的去消旋过程中，对映体富集的出现已验证上述动力学条件得以满足。然而，3a 的定向旋转并不产生类似的立体化学变化。作者对相关反应速率进行了独立测定表明：在标准条件下，三个关键速率确实满足 renant > rred > rox(Ra,Sa)。
图4. 3a 的定向旋转证明。图片来源：Nature
3a 在循环氧化还原条件下持续定向旋转的关键证明是其氧化过程具有立体选择性，即 rox(Sa)/rox(Ra)≠ 1。采用对映体纯的同位素标记物 (Sa)-D2-3a 和 (Ra)-D2-3a 进行氧化实验（图4a），(Sa)-D2-3a 氧化生成单醛 4a，氘标记（CD2 或 CD）在醛基 CDO 与苄醇 CD2OH 位点的分布比例为 93:7；而使用 (Ra)-D2-3a时，该比例为 5:95。氧化反应的对映选择性 rox(Sa)/rox(Ra) 直接决定氘代分布比例，两种同位素体之间所观察到的比例差异与转化率变化，归因于氧化过程中的动力学同位素效应。综合实验结果表明，未标记的马达 3a 氧化为 4a 的过程中，对映过量值（ee）介于 85.7 ± 6.1% 至 89.5 ± 2.7% 之间，从而确认 rox(Sa)/rox(Ra)≠ 1。该实验首次直接证实了在自主运行条件下，单键旋转马达具备定向运动能力。
小结
本文作者利用氧化还原循环反应网络驱动分子马达，通过生物催化氧化与化学还原的协同作用，在非平衡态下实现联苯结构分子的定向运动，提出了一种用于人工分子机器的新颖能量转换机制，为分子机器的发展带来了新的思路。
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Redox-powered autonomous directional C–C bond rotation under enzyme control
Jordan Berreur, Olivia F. B. Watts, Theo H. N. Bulless, Nicholas T. O’Donoghue, Marc Del Olmo, Ashley J. Winter, Jonathan Clayden8 & Beatrice S. L. Collins*
Nature, 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-09291-6
（本文由吡哆醛供稿）
