自分子馬達問世以來，將其置于特定環境中以利用其定向旋轉是該領域的重要研究方向。與此同時，納米籠也發展迅速，被廣泛用于分子識別、活性物種穩定、催化與遞送等方面。然而，將分子馬達作為客體嵌入超分子籠中，至今仍是一個尚未被探索的策略。這類體系頗具吸引力，如果分子馬達的旋轉不會導致其從籠中釋放，它將從組裝體內部驅動機械運動。

在本文中，作者報道了首個馬達?納米籠主?客體體系，如圖（1）。該體系由光驅動的第二代旋轉馬達1和異質配位金屬?有機籠（MOC）4·(BArF)?組成。馬達1上修飾了一條帶末端羧酸基團的脂肪族尾鏈；而籠4·(BArF)?則基于Zn-TCPP（5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉鋅(II)）和雙金屬Pd(II)大環配合物構建，呈四方棱柱幾何構型。作者發現，二者之間通過氫鍵相互錨定——馬達尾鏈的羧酸與籠腔內的羰基殘基成鍵，從而形成穩定的主?客體復合物。值得注意的是，1與4·(BArF)?組成的主客體系統體積占據率僅為24%，遠低于Rebek規則的55%，且并不依賴通常復合物所需的尺寸契合，正是這種寬裕的空間使馬達得以在籠內自由旋轉。

圖1 （a）由生物馬達-納米容器二元體驅動的DNA包裝過程；（b）人工分子馬達-納米籠復合物。

首先，作者進行了馬達Zs-1及其主客體配合物Zs-1?4·(BArF)?的合成與表征。Zs-1（圖2a,c）由已報道的馬達2（圖3a）經甲氧基脫保護、再通過側鏈醚化得到；將其按化學計量量加入籠的CD?CN溶液即可實現包封。核磁（NMR）表征顯示籠能容納1 eq Zs-1，客體信號因包合屏蔽效應整體向高場位移，表明客體結合在籠腔內；高分辨質譜（HRMS）進一步證實形成1∶1主客體配合物。1HDOSY表征顯示復合物的溶劑動力學直徑與空籠一致，表明Zs-1存在內部結合內；1HNMR滴定確認化學計量比為1∶1，紫外?可見光譜滴定測得較強的締合常數Ka=2.3(±0.5)×10? M?1。兩種對映體經手性HPLC分離后，圓二色（CD）光譜證實馬達的動態手性在受限空間中得以保持。

圖2 （a）分子馬達Zs-1結合于籠4·(BArF)?內的示意圖，以及基于馬達尾鏈與卟啉殘基之間氫鍵的錨定相互作用；（b）Zs-1?4·(BArF)?的HRMS譜；（c）馬達Zs-1與Zs-1?4·(BArF)?的部分1HNMR疊加譜，顯示加入馬達后的譜圖變化。

接著，作者通過對照實驗和分子動力學（MD）模擬揭示了結合機制。僅以甲氧基取代羧酸尾鏈獲得的的馬達2，無論利用用NMR、UV?Vis還是HRMS都檢測不到與籠的結合，說明帶COOH末端的烷基鏈才是結合的關鍵。MD 模擬也顯示：Zs-1的羧酸與籠內八個羰基之一形成穩定的的氫鍵，將客體錨定在在腔內；而缺少該尾鏈的Zs-2則迅速從腔中解離。NOESYNMR觀察到馬達尾鏈與籠內氫原子的相關信號，與模擬相吻合，進一步確認烷基-COOH是Zs-1結合的錨定基團。這種特定的結合模式留出了充足的腔內自由體積，并賦予主?客體配合物高穩定性，有可能生成一種能夠在受限客體發生構象變化和小幅體積變化時仍維持主?客體相互作用的復合物。

圖3 （a）Z穩態構型下的結合客體馬達1與同構型的非結合馬達2的結構；（b）MD模擬所得(R)-(M)-Zs-1包封于4·(Cl)?腔內的代表性結構，顯示馬達羧酸尾鏈與籠羰基殘基之間的氫鍵，以及尾鏈CH?與籠C?H之間的NOESY相互作用。

接著，作者研究了馬達1的旋轉行為。這類馬達通過四步循環實現單向旋轉：先經光化學E/Z異構化生成亞穩態，再經熱致螺旋翻轉（THI）弛豫回穩態，如此重復完成繞雙鍵的360°旋轉。在溶液中，作者借助365 nm輻照和加熱依次得到各步中間體（Ems-1、Es-1、Zms-1，最終回到Zs-1），證實其單向旋轉過程。在籠受限空間中，由于籠作為光敏劑會產生單線態氧而使復合物降解，作者改用冷凍?抽真空?解凍法脫氣后進行非原位輻照監測，同樣觀察到完整的四步旋轉循環。復合物各步驟的異構體分布與本體溶液幾乎相同，說明籠完全沒有妨礙馬達的機械性能；體系也未表現出疲勞，連續輻照16 h不降解，并且多次循環運轉。CD光譜進一步顯示，受限態與溶液態的Cotton效應及其輻照后的符號反轉完全一致。總體而言，受限空間對馬達旋轉的影響極小，這與籠腔的低占有率相符，但不同于在2D或3D固體材料中限域時通常出現的性質改變。

圖4 （a）從Zs-1?4·(BArF)?出發的四步旋轉循環示意圖；（b）四種異構體配合物的部分1HNMR疊加譜；（c）4·(BArF)?的CD譜；（d、e）(R)-(M)與(S)-(P)兩種對映體在輻照前后、溶液態與受限態下的CD譜對比。

綜上所述，作者證明了分子馬達的旋轉可以在金屬?有機籠的受限空間中實現。通過結合1D、2D NMR與MD模擬，闡明了該主客體體系本質上由烷基-COOH尾鏈與籠內羰基之間的氫鍵驅動，而非傳統的尺寸契合。正是這種保留了充足腔內空間的設計，使受限的馬達既能完成360°單向旋轉、又不脫離籠體，且旋轉性質幾乎不受影響。該體系為發展支持能量轉移、含多個錨定點、或采用不同尺寸馬達與籠的新一代馬達?籠體系提供了基礎。

文獻詳情

Title：Light-Induced Rotation of a Molecular Motor in the Confined Space of a Metal–Organic Nanocage

Authors:Carles Fuertes-Espinosa，Marco Ovalle，Yohan Gisbert，Clara Sabrià，Valentina Iannace，Josep M. Luis，Ferran Feixas，Alexander Ryabchun，Xavi Ribas*，Ben L. Feringa*

To be cited as: J.Am.Chem.Soc.,2026, just published.

DOI:10.1021/jacs.5c16349

（來源：網絡版權屬原作者 謹致謝意）