摘要：介紹了2016年諾貝爾化學(xué)獎，分子機器領(lǐng)域的發(fā)展簡史、研究進展與現(xiàn)狀、對未來前景的展望，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；分子機器；超分子化學(xué)；非平衡體系
　　文章編號：1005–6629（2016）12–0003–08 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B
　　2016年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎評定委員會宣布，將2016年諾貝爾化學(xué)獎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，以表彰他們在分子機器的設(shè)計與合成領(lǐng)域做出的杰出貢獻。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，此次分子機器獲獎，實屬爆了一個冷門。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，分子機器作為一項基礎(chǔ)研究仍處于初級階段，距離可預(yù)見的實際應(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？什么是分子機器？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特的生物機器，它們或能吸收、轉(zhuǎn)化并儲存外界能量，或能消耗儲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光合作用“工廠”，內(nèi)部存在著許多功能各異的生物機器，在它們的配合下，葉綠體完成光合作用的各道工序，實現(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運輸。大自然造物主向人們展示著一個又一個精巧的生物機器，每一個都足以藐視人類現(xiàn)在所擁有的任何一臺納米機器。但是人們從遠(yuǎn)古時代起，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，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與生物機器類似的分子機器開始？
　　分子機器設(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)年會上，著名物理學(xué)家費曼Richard Feynman（于1965年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）提出，能否通過原子制造出一臺極微小的機器，實現(xiàn)諸如分子汽車一樣的人造機器�！拔覀兛梢园褭C器做到多小？”Feynman提出的一系列原理性問題以及對分子機器的大膽設(shè)想，為人們構(gòu)筑分子機器提供了最初的靈感。
　　時至今日，分子機器已經(jīng)有了一個比較完善的定義：分子機器是由一定數(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�，做出類似機械運動（輸出）的分子組裝體。分子機器通常需要能量來驅(qū)動，因而需要適當(dāng)?shù)哪芰抗┙o。比較經(jīng)典的分子機器和機器部件有分子纏結(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)筑一個復(fù)雜的分子機器的過程中，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)動機等等。因此，設(shè)計并通過有機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，是分子機器領(lǐng)域一個重要的基礎(chǔ)課題。
　　構(gòu)筑分子機器的早期研究，得益于兩項重要的技術(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，三位諾獎得主分別做出了開拓性的重要貢獻。
　　1.1 拓?fù)淅p結(jié)與機械鍵
　　Jean-Pierre Sauvage的主要貢獻集中在利用機械鍵來構(gòu)筑機械互鎖分子（mechanicallyinterlocked molecular architectures）方面。機械互鎖分子概念的提出是分子機器發(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，因而實際上這也是超分子化學(xué)中的重要進步。在這些結(jié)構(gòu)中，各個分子之間并不是通過共價鍵鏈接在一起，而是相對獨立地通過環(huán)和環(huán)互穿在一起（索烴，就好比兩個鑰匙扣套在一起），或者是通過環(huán)穿在兩端有阻擋基團封端的桿上（輪烷，就好比算盤上的一根桿和珠子）�；ゴ┰谝黄鸬姆肿与m然在結(jié)構(gòu)上“連接”在了一起，但相對之間能夠自由地運動，只有打破某個分子用于成環(huán)的共價鍵，這個互鎖的結(jié)構(gòu)才會被破壞。在研究初期，合成這些機械互鎖結(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)生為分子機器的出現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
　　隨著對索烴研究的進一步深入，Sauvage等人發(fā)現(xiàn)可以借助索烴的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)平移異構(gòu)（translational isomerism）。他們通過金屬Cu（I）的配位與解離實現(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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