可编程模块化机器人：开启分子机器合成的新时代，推动纳米技术与化学自动化飞跃

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《Chem》：A programmable modular robot for the synthesis of molecular machines

【字体：大中小】 时间：2025年04月01日 来源：Chem 19.1

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　　本文介绍了一种通用化学机器人平台（Chemputer），它利用化学编程语言 XDL 集成 NMR 和液相色谱的在线反馈，实现 [2] 轮烷合成自动化。该平台提高了合成的可重复性和效率，为构建先进分子结构提供可靠方法，推动化学自动化发展。

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　　### 研究背景
在生命体系和现代社会中，自动化机器都发挥着关键作用。生物体内，像肌球蛋白、核糖体、ATP 合酶等大分子机器参与各类生命活动；宏观层面，机器通过自动化任务、加速数据处理等拓展了人类能力。受生物大分子机器启发，超分子和系统化学领域致力于实现人工分子机器的构建。轮烷（rotaxanes）作为一种重要的机械互锁分子，凭借其独特结构，在分子开关、催化剂等多种分子机器中发挥关键作用。

然而，轮烷类人工分子机器的生产面临诸多挑战。一方面，其系统设计存在困难，众多参数决定了庞大的组合化学空间，目前多依靠文献、简化模型研究或试错法确定理想属性，探索复杂未知系统困难重重。另一方面，合成、组装和评估效率低下，有机反应多样，多步合成复杂，传统自动化平台只能进行特定寡聚分子的迭代合成，且无法根据反应动态属性调整合成过程。此外，该领域文献程序缺乏标准化，限制了研究的重复性和可靠性。

研究内容

为解决上述问题，研究团队开发了通用化学机器人合成平台（Chemputer），并利用化学描述语言 XDL 数字化反应程序，实现了基于轮烷的分子机器的自主合成。

轮烷的合成路线：研究以 4 - 硝基苄胺盐酸盐为起始原料，通过四步反应合成 [2] 轮烷。第一步，对 4 - 硝基苄胺盐酸盐进行游离碱化，再与可变醛进行还原胺化，引入第一个封端和位点；第二步，将二苄胺的硝基还原为芳胺，得到半封端轴；第三步，利用三氟乙酸（TFA）选择性质子化半封端轴二苄胺，使二苯并 - 24 - 冠 - 8 大环（DB24C8）穿线；第四步，通过（硫）脲形成反应实现轮烷的完全封端，同时安装第二个位点。研究选用 9 - 蒽甲醛或 3,5 - 二甲基苯甲醛作为第一个封端的前体，3,5 - 二甲基苯基异氰酸酯或 3,5 - 双（三氟甲基）苯基异硫氰酸酯作为封端试剂，成功合成了四种分子机器，展现了该设计的灵活性。
Chemputer 平台的优化：标准 Chemputer 骨架由六个泵 - 阀对串联而成，为满足多步、发散性合成需求，研究团队采用 “菊花链” 配置连接辅助阀，增加了可用端口数量，提高了空间和硬件利用效率。这种配置下，整个平台仅需四个泵和十个阀，相比标准配置减少了硬件使用。
反应监测与产物纯化：实现多步合成自动化，关键在于反应监测和产物纯化。研究通过在线¹H NMR 实现反应的自主监测和产率测定。为将 NMR 分析集成到自动化过程中，研究团队开发了通用分析协议，包括清洗液体路径、灌注、采样和实际测量等步骤。同时，针对不同反应情况，研究团队探索了多种确定反应终点的方法。最初提出基于转化率确定反应平台期，但该方法需要先验知识，在多步反应中不实用；自动化峰挑选虽能跟踪反应变化，但易受可交换质子信号迁移等因素影响。最终，研究团队提出基于 Jaccard 相似性指数的方法，通过比较¹H NMR 谱中所有信号的积分与初始谱的差异，评估反应接近平衡的程度。

在产物纯化方面，研究利用 Büchi Pure C - 815 快速色谱系统实现轮烷的自动化纯化。对原始配置进行修改，通过灌注所有涉及的管路避免柱裂，使用管路分流器改进样品进样，在旋转蒸发仪中溶解粗产物后湿上样，并尽量减少溶剂冲洗，以提高质量回收率和减少峰展宽。多个色谱柱安装在转盘上，可自动切换使用，洗脱过程通过 220 或 254nm 的 UV 吸收监测，收集的馏分直接进入与 Chemputer 骨架相连的容器，用于后续合成步骤。仅在最后通过尺寸排阻色谱纯化时，将馏分收集在试管托盘中，以获得最小样品量，减少共洗脱并提高样品纯度。最后，通过手动直接进样质谱对最终产物馏分进行鉴定和表征。

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反应过程中的调整：不同底物的理化性质和反应性不同，因此在合成过程中需要根据实际情况调整反应条件。例如，在亚胺形成步骤，9 - 蒽甲醛参与的反应速率明显较慢，研究人员通过在线 NMR 监测反应转化率，手动调整反应时间，确保反应达到平台期后再触发后处理协议。由于亚胺形成反应不完全，还需通过硅胶柱色谱纯化得到纯净的芳胺产物。在轮烷形成步骤，反应依赖于加入的 TFA 当量，研究利用在线¹H NMR 分析确定前一步反应的产率，通过添加 1,4 - 双（三甲基硅基）苯（TMSB）作为内标，比较其甲基信号与二胺的诊断亚甲基 / 苄基信号，自动计算 NMR 产率，进而调整后续步骤中 TFA 等试剂的化学计量比，TMSB 在最终轮烷纯化过程中被去除。

研究结论

通过使用 XDL 标准数字化反应程序，并在 Chemputer 平台上执行，研究团队首次实现了基于轮烷的人工分子机器的自动化和自主合成，证明了该方法的可行性。借助已建立和验证的 XDL，结合自动化反应终点确定、在线产率计算和自动化色谱技术，可通过改变封端、大环和位点等，构建更大的化合物库，用于进一步的应用测试和优化。

该平台的应用不仅限于 [2] 轮烷，还可扩展到更广泛的分子机器支架，如转子、马达和棘轮等。其模块化架构设计可用于跨尺度的机器人工厂，实现相关化合物库的快速探索和小规模制备，并且能够自动放大到批量合成感兴趣的化合物，有望推动分子机器在工业规模上的制造。未来，化学家们有望将更多精力集中在这些分子机器在催化、材料和系统化学等领域的有趣应用上。

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