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

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

【字体: 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。

  ### 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。

  • 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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