小分子的力控释放为医疗或材料领域的药物输送以及愈合剂或报告剂的释放带来了巨大前景。在聚合物机械化学中，聚合物被用作拉伸机械敏感分子（机械分子）的致动器。这种技术能够通过重排释放分子货物，重排是机械分子中键断裂的直接或间接结果，或通过笼状、超分子或金属复合物的解离，甚至通过"柔性活化"。然而，迄今为止所描述的系统在每次拉伸事件所释放分子的多样性和/或数量方面受到限制。这是由于难以反复激活脆性机械分子，因为致动聚合物会在第一次激活后解离。物理封装策略可用于提供更大的货物载荷，但这些策略通常会受到非特异性（即非机械性）释放的影响。
鉴于此，曼彻斯特大学Guillaume De Bo教授课题组展示了一种轮烷（一种互锁分子，其中一个大环被困在一个封闭的轴上）作为一种有效的致动器，可触发释放附加在其轴上的货物分子。在溶液中，他们通过超声波演示了每个轮烷致动器可释放多达五个货物分子；在散装中，他们通过压缩演示了每个轮烷致动器可释放多达五个货物分子，释放效率分别高达71%和30%，这使该轮烷装置跻身于迄今为止最高效的释放系统之列。作者还展示了三种具有代表性的功能分子（一种药物、一种荧光标签和一种有机催化剂）的释放，可以预计这种装置可以释放多种货物分子。这种轮烷致动器为各种力控释放应用提供了一个多功能平台。相关研究成果以题为“Force-controlled release of small molecules with a rotaxane actuator”发表在最新一期《Nature》上。
Figure 1. 机械控制分子释放
值得一提的是，Lei Chen博士为本文第一作者。他于2010年毕业于华东理工大学（学士），于2013年毕业于复旦大学（硕士）。 在工业界工作了几年后，Lei Chen在 2019 年 9 月获得 UoM-CSC 奖学金加入曼彻斯特大学Guillaume De Bo教授课题组，从事机械键的机械化学研究。
【设计】
本文的设计基于轮烷结构（图1a中的1），该结构围绕连接到C12烷基链上的柱[5]芳烃(P5)大环构建，并在一侧用聚丙烯酸甲酯(PMA)聚合物延伸，另一侧是载货低聚物（货舱）。另一个PMA链连接到P5大环，以实现该组件的机械激活。选择这种大环化合物是因为其刚性和管状性质，因为更灵活的大环化合物将有利于轴的断裂（无塞子）。货物单元（N-三苯甲基马来酰亚胺，2，因其空间体积而被选择）通过狄尔斯-阿尔德反应装载到货物低聚物的呋喃部分上。在拉伸时，大环沿着货舱被拉动，直到到达第一个狄尔斯-阿尔德加合物，该加合物充当屏障（图1a）。将大环进一步拉向加合物最终会触发逆狄尔斯-阿尔德反应（图1a），从而释放货物单元。这种激活几何结构是轮烷结构所独有的，其中机械载体（狄尔斯-阿尔德加合物）被推动而不是被拉动（图1a，左框）。当大环沿着货舱被拉动时，这个过程会重复进行，直到它逃脱（图1a）。最多可释放5个货物单元，其中轮烷为15。由轮烷8的大环和轴引发的丙烯酸甲酯的单电子转移活性自由基聚合得到了链中心大分子轮烷（图1b）。
图 1. 轮烷致动器的伸长导致放置在轴上的货物单元在大循环的推动下顺序释放
【模型研究】
由于P5大环的形状为圆柱形，轮烷的形成导致两种异构体。由于这些机械载体的几何形状会极大地影响它们的机械化学反应性，因此作者决定在组装多货物轮烷装置之前探索这两种异构源的影响（图2）。轮烷9的反式异构体被证明是更好的驱动器，以相同的效率激活内型和外型加合物（转化率为71%；图2a），因此作者决定继续使用该异构体来组装更大的结构。通过1HNMR光谱分析该提取物证实了货物的释放，加合物（峰a、b、c；图2b）和马来酰亚胺货物释放后显露的呋喃单元（峰x、y、z；图2b），特别是马来酰亚胺烯峰（峰D；图2c）的存在，也证实了货物单元释放后大环从轴上的释放。
图 2. 模型轮烷9的各种几何异构体的机械活化
【货物放行范围】
随后，作者试图探索轮烷致动器释放功能分子的能力（图3）。该货物释放系统可以被认为是一台分子机器。当它受到机械力时，环沿着轴引起的单向运动提供了足够的能量来依次解开货物分子。只要保持机械力，该过程就会继续，直到所有分子从轮烷平台中释放出来。三种模型货物分子（药物、荧光标签和有机催化剂）的释放行为进一步说明了轮烷驱动通过不同解离机制递送不同货物分子的多功能性。
图 3. 通过逆环加成和异裂作用力控制功能性货物分子的释放
【溶液中多货物轮烷的活化】
作者观察到，货物释放不仅可以在溶液中进行，还可以通过压缩轮烷的固体样品进行，而且效率比之前报道的机械激活系统更高。此外，每个轮烷系统可释放多达五个货物分子；相比之下，之前报道的力激活分子装置一般只能释放一个。这些结果为更复杂的系统铺平了道路，即在三维网络中加入数百个这样的多货物系统，每个系统都有附着在轮烷上的柔性长聚合物链。这样，当受到机械力时，货物就能同时从多个轮烷中释放出来，从而大大增加了一次释放的分子数量。
图 4. 多货物轮烷在溶液和本体中的活化
【总结】
本文已经证明了使用轮烷致动器力控制小分子的释放，其中力引起的大环沿着轴的运动导致小分子货物的激活和随后的串联释放。轮烷结构能够迭代驱动可分裂的机械基团，因为驱动聚合物不直接连接到机械基团。这种架构的独特之处还在于它激活力基团的方式是通过推动而不是拉动几何结构。此外，这样的分子装置可以在溶液和散装中释放每条链多达五个货物单元。批量激活效率高达30%，这使该设备跻身迄今为止最好的共价力控制释放系统之列。此外，作者通过释放三种代表性功能分子（药物、荧光标签和有机催化剂）展示了该驱动装置的多功能性，并且预计可以释放更多种类的货物。这样的系统提供了按定义的顺序释放不同货物单元的可能性。轮烷执行器的多功能性和效率将为更复杂的力控释放系统铺平道路。
文章来源：高分子科学前沿
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