分子馬達

--作者: fossil
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內容

前言
可轉動120度的有機分子
可轉動360度的分子馬達
結論
參考資料

前言

馬達，大家都知道吧！一種通電後可自行轉動的機械裝置，電風扇的帶動就靠一個馬達，螺旋漿飛機、輪船快艇等也是一樣，馬達加上齒輪組，就構成大部分的機器。

那什麼叫做「分子馬達」？

答案很簡單，是一種能夠像馬達一般，在給予適當能量後，做出單向轉動的化學分子。

這樣的「馬達」極小，尺寸是蚊子的一千萬分之一。

有了這麼小的馬達，再加上適當的配件，或許能夠做出分子機器人，進入人體內去修補受損的DNA，或清除血管壁上堆積的膽固醇。

1959年，當大部份科學家都在思考「大」問題的時候，一位諾貝爾物理獎得主Richard P. Feynman卻從「小」問題著手，開創了一門新的研究領域。那些「大」問題指的是星際之旅，登陸月球，太空計畫；而那個「小」問題指的是「毫微科技 (注一)」(nanotechnology)。四十年來，世界上的物理學家、化學家、分子生物學家及電腦專家紛紛投入，有人是「從上到下」，把已有的物件縮小再縮小，如康乃爾大學製出十微米長的毫微吉他(nanoguitar) ，大小和人體的白血球差不多。也有人採取「由下而上」的方式，先做出零件，再組合成機器，分子馬達就是一例。

這項成果是由荷蘭Groningen大學的Ben Feringa、日本 Tohoku大學的Nobuyuki Harada及美國Boston學院的Ross Kelly所領導的三個研究小組所完成，並發表於1999年9月 9日出刊的自然雜誌上。

可轉動120度的有機分子

Ross Kelly研究小組合成出能做120度轉動的有機分子。她們是從失敗中學習，之前合成的分子能夠轉動，但不能控制方向，稍加修飾後，問題解決了。

失敗的最初

最初的馬達有如三葉水車(triptycene部分)，外加一個煞車組([4]helicene部分)，二者之間以碳-碳單鍵相連。

一般碳-碳單鍵的兩端是可以自由轉動的，轉動軸即為單鍵本身，所需能量約為3-5 Kcal/mol。這個分子也不例外，可以繞著碳-碳單鍵轉動，然而由於兩端所佔空間較大，所需能量較高，約25 Kcal/mol。此外，轉動不是沿單一方向，順時針及逆時針方向皆可動。

改良後的成果

改良的做法是在水車及煞車上各加一個「鉤子」，再加入「燃料」(ClCOCl)，使兩者自動連結，帶動水車轉動120度，然後停住，如圖一至圖六所示。

圖一、水車、煞車端的「鉤子」( NH₂、O(CH₂) ₃OH) 及「燃料」(ClCOCl)

圖二、水車上的鉤子發生變化(由 NH₂ 變為 N=C=O)

圖三、水車些微轉動，兩端鉤子接近

圖四、鉤子相接

圖五、帶動水車轉動120度(注意藍色部份的位置)

圖六、加入試劑 (NaBH(OEt)₃) 使鉤子分開，水車停止轉動

這個分子雖不能如馬達一樣地轉360度，但展示出利用化學能讓有機分子做單一方向轉動的可能性。

可轉動360度的分子馬達

Feringa及Harada共同建立了可連續轉動的元件，其做法是先用紫外光讓分子轉180度，並處於較高能量狀態，之後控制溫度，使分子改變立體結構，達到較穩定的狀態，此過程為不可逆反應，故轉動只會沿單一方向進行，同樣過程再重覆一次，即完成360度轉動，如下圖所示。

符號說明：

粗線是指那部份的結構突出紙面；虛線則指在紙面之下。一般而言，苯環是呈平面結構，故圖中的雙鍵應在同一平面上，但在此情況特殊，是呈扭曲狀，如此上下兩半方能彼此避開，而不會「打成一片」。
相連的三個六環結構好比是個螺旋，P及M是指螺旋的方向。規則是眼晴自上向下看螺旋，且使螺旋遠離自己，若其旋轉方向是順時針，則以P表示；若以逆時針方向盤旋，則以M表示。圖示如下。
cis及trans是指雙鍵兩頭較大取代基的相對位置，同邊為cis，反邊為trans。在此是指三個相連六環在雙鍵兩頭的相對位置。
ax是axial的縮寫，eq是equatorial的縮寫，是用以描述椅型六員環上所接取代基的位向，ax是垂直於六環面的軸向，eq是指環繞周圍的赤道向，如下圖所示。

在左邊結構中，軸向的取代基為朝上的c,g,k及朝下的b,f,j；赤道向的取代基為a,d,e,h,i,m。
若有足夠的能量，左邊椅型結構可轉變成右邊的樣子，此時軸向取代基為a, d, e, h, i, m，赤道向者為b, c, f, g, j, k，與前述情形完全相反。
要注意的是，不論是軸向或赤道向，朝上與朝下是並沒有改變。a 在左邊結構是處於赤道向，在右邊結構是處於軸向，但都是朝上，畫成平面圖時均應以粗線表示。

第一步, (P,P)-trans -> (M,M)-cis

第一步的照光反應是可逆的。在攝氏零下55度，用波長280 nm的紫外光照射反應瓶，大部份的(P,P)-trans-1會轉變成(M,M)-cis-2。達到平衡時，反應瓶中以(M,M)-cis-2為主，且仍在互相轉換，即(P,P)-trans-1仍在轉變成(M,M)-cis-2，同時(M,M)- cis-2也在轉變成(P,P)-trans-1，只是轉換速率相同，使比例維持(M,M)-cis-2/(P,P)-trans-1=95/5。若改以380 nm 波長紫外光照射，反應瓶中會以(P,P)-trans-1為主。

上述反應產生了三項變化：一是180度轉動，由trans變為 cis；二是螺旋構形反折，由P變為M；三是甲基由軸向(Me_ax) 變為赤道向(Me_eq)。變化一是分子上半部繞著中央雙鍵旋轉的結果；變化二、三是六員環椅形結構改變造成。上方三個相連的六環在180度旋轉後應該變為朝紙面下，受到椅型結構改變，又回到紙面上，成為M形螺旋；同理，下方三個相連的六環並未轉動，應在紙面之上，但受到椅型結構改變，就跑到到紙面下，也成為M形螺旋。至於上方Me_eq朝下而下方Me_eq朝上，是因為它不受椅型結構改變所影響，原本朝上的，依然朝上，上方 Me_eq是因轉動180度而變成朝下。

從側面對著雙鍵方向來看，可用上圖A1、B1來示意此變化情形，轉動的淨效應相當於使分子繞著雙鍵旋轉約90度(C1)。

第二步, (M,M)-cis -> (P,P)-cis

在攝氏20度下，用波長280 nm的紫外光照射反應瓶，所有的(P,P)-trans-1都轉變成(P,P)-cis-2，然而實驗證據顯示這項變化並非直接發生，而是經由(M,M)-cis-2轉變過去， (P,P)-trans-1與(P,P)-cis-2之間無法直接轉換。

(P,P)-trans-1在照光後先變成(M,M)-cis-2，(M,M)-cis-2 可能變回(P,P)-trans-1，也可能變成(P,P)-cis-2，但(M, M)到(P,P)的螺旋反轉是不可逆的，即(M,M)-cis-2變為(P,P)- cis-2後就變不回來了，在攝氏零下50度時，螺旋反轉無法發生，所以能夠達到平衡，反應瓶中有(M,M)-cis-2也有 (P,P)-trans-1。攝氏20度時，(M,M)-cis-2能夠變成(P,P)- cis-2，且一變過去就變不回來，(P,P)-trans-1一直反應成為(M,M)-cis-2，(M,M)-cis-2再螺旋反轉成(P,P)-cis-2，因此(P,P)-trans-1愈來愈少，終至完全轉變成(P,P)-cis-2。

此步轉換的淨效應也是使分子繞著雙鍵旋轉約90度(C2)。