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圖1展示了典型分子馬達的旋轉運動和經(jīng)過改進后的分子馬達系統(tǒng)。在圖中，a部分顯示了原始結構和改進后的馬達結構，以及典型分子馬達旋轉循環(huán)的勢能面示意圖。通過圖1b可以看到，第一代分子馬達的四步單向異構化過程，其中顯示了在365 nm照射下，前向光異構化和競爭性反向異構化的量子產(chǎn)率以及在平衡態(tài)下的對映異構體分布。最后，圖1c顯示了合成改進馬達的合成路線。其具體路線是：首先，在第一步中使用鋅和四氯化鈦在四氫呋喃中回流反應，與烷酮發(fā)生反應，產(chǎn)生Z烷基酮產(chǎn)物，收率為80%。接著，在第二步中利用碘化甲基鎂在高溫下與Z烷基酮發(fā)生反應，制備烯烴中間體，收率為89%。然后，在第三步中利用四氯化鈦和二氯甲醚在二氯甲烷中進行反應，與烯烴中間體發(fā)生反應，形成甲酸酯產(chǎn)物，收率為75%。最后，在第四步中利用碳酸鉀和碘甲烷在二甲基甲酰胺中反應，得到甲酯化產(chǎn)物，收率為96%?？傊撛O計結構提高了分子馬達的光異構化性能，為其在液晶摻雜等領域的應用提供了更好的效率和選擇性，進一步推動了分子機器和響應性材料的發(fā)展。化學加——科學家創(chuàng)業(yè)合伙人，歡迎下載化學加APP關注。

作者通過圖2的實驗，對新合成的馬達1和其父代馬達2進行了詳細的比較和性能分析，旨在理解甲酰化對馬達性能的影響以及可能的機理。在圖2中，他們展示了馬達1的單向四步旋轉循環(huán)，并通過UV-可見光譜和核磁共振（NMR）測量確認了其特征360°旋轉。圖中分別顯示了Z-1st和E-1st異構體的電子吸收光譜，以及其在光照下的異構化過程，其中Z-1st異構化為E-1st，然后通過熱誘導異構化（THI）形成E-1mst，最終又異構化回Z-1st。通過NMR對所有異構體進行了標識，確保了整個旋轉循環(huán)的完整性，并觀察到幾乎沒有疲勞現(xiàn)象，這在第一代分子馬達中是異常的。他們還展示了馬達1的穩(wěn)定性，進行了長達十次以上的完整光化學/熱旋轉循環(huán)實驗，結果表明馬達的穩(wěn)定性異常高，沒有出現(xiàn)疲勞跡象。這些實驗對于理解分子機器的設計和性能優(yōu)化具有重要意義。通過對新合成的馬達1和其父代馬達2的詳細比較和分析，作者揭示了甲?；瘜︸R達性能的顯著影響，并提出了可能的機理假設。

圖片來源：Nat. Chem.

在圖3中，作者比較了馬達1和馬達2的性能，并進行了詳細的光物理和化學分析。他們首先觀察到馬達1相對于馬達2的明顯改進，表現(xiàn)為更高的摩爾吸收系數(shù)和更快的光異構化速率。通過比較兩種馬達的光異構化量子產(chǎn)率（QYs），發(fā)現(xiàn)馬達1的前向光異構化QY遠高于后向過程的QY，這導致了馬達1光化學過程的高度偏向性。此外，通過瞬態(tài)吸收實驗，他們進一步研究了光異構化的機理，發(fā)現(xiàn)在激發(fā)態(tài)的衰減中存在分支，可能涉及到最低三重態(tài)狀態(tài)。這些發(fā)現(xiàn)為理解甲酰化對馬達性能改善的機理提供了有力支持，并為未來設計更高效的分子機器奠定了基礎。

圖 3：馬達1和馬達2的比較以及對馬達1進行的瞬態(tài)吸收光譜研究。

作者為了測試新的功能化策略對第二代分子馬達的適用性，進行了圖4中的實驗。在這個實驗中，他們以圖4a所示的合成策略將甲氧基添加到第二代馬達，得到了馬達4。他們觀察到，與第一代馬達類似，馬達4在365 nm的輻照下可以發(fā)生清晰的異構化，如圖4b和e所示的UV–visible電子吸收光譜中的等吸光點所示。此外，他們進行了疲勞研究，并發(fā)現(xiàn)在五次輻照/加熱循環(huán)過程中，UV–visible電子吸收光譜沒有明顯變化，表明馬達4在二氯甲烷中具有出色的光穩(wěn)定性。進一步的循環(huán)試驗顯示，馬達4相較于原型馬達3，在十個完整的旋轉循環(huán)中表現(xiàn)出了更好的穩(wěn)定性，這可以歸因于用于激發(fā)馬達4運動的較長波長的光。

圖片來源：Nat. Chem.

圖5展示了分子馬達1作為手性摻雜劑在液晶（LC）材料中的應用。作者發(fā)現(xiàn)，馬達1可以作為三態(tài)光和熱可重構手性開關，并能在不同波長下實現(xiàn)不同的分子結構。通過對映純（R,R）-(P,P)-Z-1st進行365nm輻照，可以形成相應的Z-1mst二態(tài)異構體，而在420nm處進行后續(xù)輻照則可以將其轉化為E-1st。在LC宿主E7中，馬達1的摻雜可以誘導和調(diào)制超分子螺旋結構，實現(xiàn)了螺旋結構的變化和手性的反轉。此外，作者還發(fā)現(xiàn)，馬達1的微小摻雜量即可在LC分子中調(diào)控扭曲，形成拓撲缺陷線，具有各種實際應用。這些實驗結果表明，通過對第二代分子馬達進行功能化和在液晶材料中應用分子馬達作為手性摻雜劑，可以實現(xiàn)對分子結構和手性的精確調(diào)控，為光電器件和智能材料的設計提供了新的思路和方法。

圖 5：多態(tài)特性描述以及在液晶摻雜中的應用。

圖片來源：Nat. Chem.