分子开关

分子开关是可以在两个或多个稳定状态之间可逆地转换的分子。分子可以响应环境刺激在状态之间转换，例如pH、光、温度、电流、微环境的变化，或在离子和其他配体的存在下。在某些情况下，需要组合刺激。最古老的合成分子开关形式是pH指示剂，它显示不同的颜色作为pH值的函数。目前，合成分子开关在用于分子计算机或响应药物递送系统的纳米技术领域引起了人们的兴趣。分子开关在生物学中也很重要，因为许多生物学功能都基于它，例如变构调节和视觉。它们也是分子机器最简单的例子之一。

在细胞生物学中，蛋白质通过激活信号通路中的另一种蛋白质来充当细胞内信号分子。为了做到这一点，蛋白质可以在活跃和非活跃状态之间切换，从而充当响应另一个信号的分子开关。例如，蛋白质的磷酸化可用于激活或灭活蛋白质。触发“分子开关”的外部信号可能是一种蛋白激酶，它为蛋白质添加一个磷酸基团，或者一种蛋白磷酸酶，它去除磷酸盐。

自16世纪以来，一些化合物改变pH功能的能力就为人所知。这种效应甚至在发现酸度/碱度概念之前就已为人所知。这些存在于玫瑰、矢车菊、报春花和紫罗兰等多种植物中。罗伯特·博伊尔是xxx个描述这种效应的人，他使用植物汁（以溶液和浸渍纸的形式）。这些化合物最常见的用途是pH指示剂，它是具有酸/碱特性的分子，而不同的形式呈现不同的颜色。当添加酸或碱时，​​两种形式之间的平衡将被取代。

广泛研究的一类是光致变色化合物，当被特定波长的光照射时，它们能够在电子配置之间切换。每个状态都有一个特定的吸收xxx值，然后可以通过UV-VIS光谱读出。该类的成员包括偶氮苯、二芳基乙烯、二噻吩基乙烯、富金酸、二苯乙烯、螺吡喃和苯氧基并四苯醌。手性分子开关是一个特定的亚组，在对映体对之间发生光化学转换。在这些化合物中，读数是通过圆二色性而不是普通光谱法。如下所示的受阻烯烃会随着右旋或左旋圆偏振光的照射而改变其螺旋度（参见：平面手性）显示定向运动的手性分子开关被认为是合成分子马达：

在主客体化学中，分子开关的双稳态对客体的亲和力不同。这种系统的许多早期例子都是基于冠醚化学。1978年，Desvergne和Bouas-Laurent描述了xxx个可切换的主体，他们通过光化学蒽二聚化产生了冠醚。虽然严格来说不是可转换的，但该化合物能够在光化学触发后吸收阳离子，并且暴露于乙腈会返回开放形式。1980年Yamashita等人。构建已经包含蒽单元（蒽）的冠醚，并研究离子吸收与光化学。同样在1980年，Shinkai放弃了作为光天线的蒽单元，转而采用偶氮苯部分，并首次设想存在带有开关的分子。在该分子中，光引发偶氮基团的反式顺式异构化，从而导致环扩展。因此，在反式形式中，冠优先与铵、锂和钠离子结合，而在顺式形式中，优先与钾和铷（同一碱金属基团中的较大离子）结合。在黑暗中发生反向异构化。Shinkai在模拟莫能菌素和尼日利亚菌素的生化作用的实际离子传输中采用这种设备：在双相系统中，离子在一个相中由光触发而在没有光的情况下沉积在另一相中。

一些最先进的分子开关基于机械互锁的分子结构，其中双稳态在大环的位置上有所不同。1991年，Stoddart设计了一种基于轮烷的分子穿梭机，在该轮烷上，分子珠能够在位于分子线上的两个对接站之间穿梭。Stoddart预测，当站点与由不同外部刺激所寻址的每个站点不同时，穿梭机就变成了分子机器。1993年，Stoddart被超分子化学先驱FritzVögtle挖走，他实际上提供了一种可转换的分子，该分子不是基于轮烷而是基于相关的链烷该化合物基于两个环系统：一个环具有可光致分解的偶氮苯环和两个百草枯对接站，另一个环是具有对百草枯单元具有结合亲和力的芳烃环的聚醚。在这个系统中，核磁共振波谱表明，在偶氮反式中，聚醚环可以围绕其配对环自由旋转，但是当光触发激活顺式偶氮形式时，这种旋转模式会停止1994年，Kaifer和Stoddart修改了他们的分子穿梭，使得缺电子的四阳离子环芳珠现在可以在两个对接站之间进行选择：一个联苯酚和一个联苯胺单元。

在室温下的溶液中NMR光谱显示，珠子以与NMR时间尺度相当的速率穿梭，将温度降低到229K可以解析信号，84%的人口倾向于联苯胺站。然而，在加入三氟乙酸后，联苯胺氮原子被质子化，并且珠子xxx固定在联苯酚站上。通过电化学氧化（形成联苯胺自由基离子）获得相同的效果，并且显着这两个过程都是可逆的。2007年，分子穿梭机被用于实验性DRAM电路。该器件由400个底部硅纳米线电极（16纳米(nm)宽，间隔33纳米）组成，另外400根钛顶部纳米线具有相似的尺寸，夹着单层双稳态轮烷，如下所示：该设备中的每个钻头都由一个硅和一个钛横杆组成，大约100个轮烷分子以垂直角度填充在它们之间的空间中。左侧的亲水性二甘醇塞子（灰色）专门设计用于锚定硅线（通过磷掺杂制成亲水性），而右侧的疏水性四芳基甲烷塞子对同样的疏水性钛线具有相同的作用。在开关的基态中，百草枯环位于四硫富瓦烯单元（红色）周围，但当富瓦烯单元通过施加电流被氧化时，它会移动到二氧萘基单元（绿色）。当富瓦烯还原回来时，会形成亚稳态高电导“1”状态，该状态会松弛回到基态，化学半衰期约为一小时。通过采用在Teramac项目中也发现的容错架构来规避缺陷问题。以这种方式，在一个白细胞大小的区域上获得由160,000位组成的电路，转换为每平方厘米1011位。