图1展示了典型分子马达的旋转运动和经过改进后的分子马达系统。在图中，a部分显示了原始结构和改进后的马达结构，以及典型分子马达旋转循环的势能面示意图。通过图1b可以看到，第一代分子马达的四步单向异构化过程，其中显示了在365 nm照射下，前向光异构化和竞争性反向异构化的量子产率以及在平衡态下的对映异构体分布。最后，图1c显示了合成改进马达的合成路线。其具体路线是：首先，在第一步中使用锌和四氯化钛在四氢呋喃中回流反应，与烷酮发生反应，产生Z烷基酮产物，收率为80%。接着，在第二步中利用碘化甲基镁在高温下与Z烷基酮发生反应，制备烯烃中间体，收率为89%。然后，在第三步中利用四氯化钛和二氯甲醚在二氯甲烷中进行反应，与烯烃中间体发生反应，形成甲酸酯产物，收率为75%。最后，在第四步中利用碳酸钾和碘甲烷在二甲基甲酰胺中反应，得到甲酯化产物，收率为96%。总之，该设计结构提高了分子马达的光异构化性能，为其在液晶掺杂等领域的应用提供了更好的效率和选择性，进一步推动了分子机器和响应性材料的发展。化学加——科学家创业合伙人，欢迎下载化学加APP关注。

作者通过图2的实验，对新合成的马达1和其父代马达2进行了详细的比较和性能分析，旨在理解甲酰化对马达性能的影响以及可能的机理。在图2中，他们展示了马达1的单向四步旋转循环，并通过UV-可见光谱和核磁共振（NMR）测量确认了其特征360°旋转。图中分别显示了Z-1st和E-1st异构体的电子吸收光谱，以及其在光照下的异构化过程，其中Z-1st异构化为E-1st，然后通过热诱导异构化（THI）形成E-1mst，最终又异构化回Z-1st。通过NMR对所有异构体进行了标识，确保了整个旋转循环的完整性，并观察到几乎没有疲劳现象，这在第一代分子马达中是异常的。他们还展示了马达1的稳定性，进行了长达十次以上的完整光化学/热旋转循环实验，结果表明马达的稳定性异常高，没有出现疲劳迹象。这些实验对于理解分子机器的设计和性能优化具有重要意义。通过对新合成的马达1和其父代马达2的详细比较和分析，作者揭示了甲酰化对马达性能的显著影响，并提出了可能的机理假设。

图片来源：Nat. Chem.

在图3中，作者比较了马达1和马达2的性能，并进行了详细的光物理和化学分析。他们首先观察到马达1相对于马达2的明显改进，表现为更高的摩尔吸收系数和更快的光异构化速率。通过比较两种马达的光异构化量子产率（QYs），发现马达1的前向光异构化QY远高于后向过程的QY，这导致了马达1光化学过程的高度偏向性。此外，通过瞬态吸收实验，他们进一步研究了光异构化的机理，发现在激发态的衰减中存在分支，可能涉及到最低三重态状态。这些发现为理解甲酰化对马达性能改善的机理提供了有力支持，并为未来设计更高效的分子机器奠定了基础。

图 3：马达1和马达2的比较以及对马达1进行的瞬态吸收光谱研究。

作者为了测试新的功能化策略对第二代分子马达的适用性，进行了图4中的实验。在这个实验中，他们以图4a所示的合成策略将甲氧基添加到第二代马达，得到了马达4。他们观察到，与第一代马达类似，马达4在365 nm的辐照下可以发生清晰的异构化，如图4b和e所示的UV–visible电子吸收光谱中的等吸光点所示。此外，他们进行了疲劳研究，并发现在五次辐照/加热循环过程中，UV–visible电子吸收光谱没有明显变化，表明马达4在二氯甲烷中具有出色的光稳定性。进一步的循环试验显示，马达4相较于原型马达3，在十个完整的旋转循环中表现出了更好的稳定性，这可以归因于用于激发马达4运动的较长波长的光。

图片来源：Nat. Chem.

图5展示了分子马达1作为手性掺杂剂在液晶（LC）材料中的应用。作者发现，马达1可以作为三态光和热可重构手性开关，并能在不同波长下实现不同的分子结构。通过对映纯（R,R）-(P,P)-Z-1st进行365nm辐照，可以形成相应的Z-1mst二态异构体，而在420nm处进行后续辐照则可以将其转化为E-1st。在LC宿主E7中，马达1的掺杂可以诱导和调制超分子螺旋结构，实现了螺旋结构的变化和手性的反转。此外，作者还发现，马达1的微小掺杂量即可在LC分子中调控扭曲，形成拓扑缺陷线，具有各种实际应用。这些实验结果表明，通过对第二代分子马达进行功能化和在液晶材料中应用分子马达作为手性掺杂剂，可以实现对分子结构和手性的精确调控，为光电器件和智能材料的设计提供了新的思路和方法。

图 5：多态特性描述以及在液晶掺杂中的应用。

图片来源：Nat. Chem.