摘要：介绍了2016年诺贝尔化学奖，分子机器领域的发展简史、研究进展与现状、对未来前景的展望，以及这一研究领域的科学意义和启迪。
关键词：诺贝尔化学奖；分子机器；超分子化学；非平衡体系
文章编号：1005–6629（2016）12–0003–08 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
2016年10月5日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖评定委员会宣布，将2016年诺贝尔化学奖授予来自法国斯特拉斯堡大学的Jean-Pierre Sauvage，美国西北大学的J. Fraser Stoddart以及荷兰罗格宁根大学的Bernard L. Feringa三位科学家，以表彰他们在分子机器的设计与合成领域做出的杰出贡献。很多人认为这是继1987年Jean-Marie Lehn等人获得诺贝尔化学奖后超分子领域的梅开二度，使得超分子领域的科学家们备受鼓舞。但也有一些科学家认为，此次分子机器获奖，实属爆了一个冷门。与同是候选的锂电子电池技术、CRISPR/Cas9基因编辑技术以及RAFT/ATRP高分子自由基聚合技术相比，分子机器作为一项基础研究仍处于初级阶段，距离可预见的实际应用还有很大的距离。那么，为何该领域能够荣膺诺贝尔化学奖？什么是分子机器？其科学意义何在？我们又能从中得到什么启示呢？
1 分子机器的发展简史
随着分子生物学的日益发展，人们发现在众多生命体系的微观尺度下，存在着很多渺小的但功能独特的生物机器，它们或能吸收、转化并储存外界能量，或能消耗储存的能量来完成各种复杂的生命功能。比如，叶绿体整体作为一个光合作用“工厂”，内部存在着许多功能各异的生物机器，在它们的配合下，叶绿体完成光合作用的各道工序，实现光能向化学能的转变。又如核糖体能够翻译RNA中存储的信息将其“翻译”成具有多种功能的多肽，细胞膜上的载体蛋白能够完成逆浓度梯度的主动运输。大自然造物主向人们展示着一个又一个精巧的生物机器，每一个都足以藐视人类现在所拥有的任何一台纳米机器。但是人们从远古时代起，似乎就从没有简单地臣服于大自然。我们能向她学到什么？能否利用从她那儿学到的知识，去探究生命的起源、解答生命的奥秘，或对抗顽疾、提高生命的质量？那么，是不是可以从合成一台与生物机器类似的分子机器开始？
分子机器设想的提出，可以追溯到上世纪中叶。1959年，在美国物理学年会上，著名物理学家费曼Richard Feynman（于1965年获得诺贝尔物理学奖）提出，能否通过原子制造出一台极微小的机器，实现诸如分子汽车一样的人造机器。“我们可以把机器做到多小？”Feynman提出的一系列原理性问题以及对分子机器的大胆设想，为人们构筑分子机器提供了最初的灵感。
时至今日，分子机器已经有了一个比较完善的定义：分子机器是由一定数量的分子组装而成的，能够在外界适当的刺激下（输入），做出类似机械运动（输出）的分子组装体。分子机器通常需要能量来驱动，因而需要适当的能量供给。比较经典的分子机器和机器部件有分子缠结、分子开关、分子电梯、分子肌肉、分子剪刀、分子马达、分子泵、分子汽车等（图1）[1]。
在构筑一个复杂的分子机器的过程中，科学家们往往需要利用多种多样的分子组件，进而构筑具有一定功能的组装体。就好比我们要制造一辆汽车，需要各种各样的零件，如轴承、齿轮、车轮、发动机等等。因此，设计并通过有机合成来制备具有精巧结构并能够产生相互作用的分子组件，是分子机器领域一个重要的基础课题。
构筑分子机器的早期研究，得益于两项重要的技术发展。其中之一是拓扑缠结（topological entanglement）的提出，也就是所谓的机械键（mechanical bond）；其二是可异构的不饱和键方面的研究。在这些方面，三位诺奖得主分别做出了开拓性的重要贡献。
1.1 拓扑缠结与机械键
Jean-Pierre Sauvage的主要贡献集中在利用机械键来构筑机械互锁分子（mechanicallyinterlocked molecular architectures）方面。机械互锁分子概念的提出是分子机器发展过程中的重要一步，这完成了从研究分子本身到研究分子与分子之间的关系的飞跃，因而实际上这也是超分子化学中的重要进步。在这些结构中，各个分子之间并不是通过共价键链接在一起，而是相对独立地通過环和环互穿在一起（索烃，就好比两个钥匙扣套在一起），或者是通过环穿在两端有阻挡基团封端的杆上（轮烷，就好比算盘上的一根杆和珠子）。互穿在一起的分子虽然在结构上“连接”在了一起，但相对之间能够自由地运动，只有打破某个分子用于成环的共价键，这个互锁的结构才会被破坏。在研究初期，合成这些机械互锁结构是相当困难的，科学家们往往要通过多步复杂的反应才能得到相应的产物，而且通常产率很低。直到1983年，Jean-Pierre Sauvage等人率先提出了通过模板合成的方法，他们通过金属配位，显著地提高了制备索烃和轮烷的产率（图2）。这一发现极大地加速了拓扑化学的发展，在此基础上，化学家们合成了多种多样的拓扑缠结结构，例如Sauvage等合成了三叶草结[3]、索烃、所罗门结等更为复杂的结构（图3），这些结构的产生为分子机器的出现奠定了坚实的基础。
随着对索烃研究的进一步深入，Sauvage等人发现可以借助索烃的结构实现平移异构（translational isomerism）。他们通过金属Cu（I）的配位与解离实现了索烃结构的可逆变化，通过外界控制铜离子的配位与解离，索烃结构中的邻二氮杂菲能够产生明显的距离变化（11？）[4]。
