自然界由太阳获取着能量，而目前研究工作者正在研究靠光驱动的未来的发动机的作用

弗吉尼亚布莱克斯堡露出了曙光。当第一线阳光爬上地平线时，自然界亿万个微型电站就开动起来了。在这些微小的分子中，太阳光的光子开始发动对生命来说至关重要的一系列化学反应。这时，在我们的实验室里，光子正要开动最新的分子发动机。

归根结底，地球上几乎一切事物均依赖太阳的能货运转。绿色植物依赖光合作用把空气中的二氧化碳和水转化为有机化合物而生长，生成维持地球上几乎—切动物生命的生物键。然而与自然界直接由太阳光获取能量的同时，人类却艰苦地忙碌着：挖煤、掘油井、钻气井，以获取间接的能量。

太阳能可予以转换。光伏打电池即可把太阳光转变为电，但还必须把电输入另外的设备来制造重要的化学物质，等等。最好能除去中间过程，仿效自然界，建立起我们自己的微型光驱动化工厂。而这正是化学工作者目前正在孜孜以求的。目标之一是用阳光由空气和水制取取之不尽的绿色燃料。另一个目标是设计抗癌分子，以激光激活时能摧毁肿瘤，而其不良的副作用较目前应用的一些抗癌药剂要小。

要让光子做有用功，是一个复杂的课题。首先必须捕获光子，然后必须把它们的能量转化为合用的形式，最后，还得把该能量输送到需要的地方，使之完成要求的任务。我们惊喜地发现，这类任务多数可由最新合成的化合物的单个分子模拟自然界化工厂的成果来实现。弗吉尼亚理工学院的研究组和其他一些研究组目前正在创造一系列合成分子，用光投射这种分子，就有可能完成各式各样的任务，诸如合成有用的化合物，生产清洁燃料或用来破坏肿瘤。

绝顶的成功

称作超分子的化学物质能出色地完成这些不同任务。它们由若干个性质不同的单元组成，各个单元完成特定的任务。例如，一个单元可以吸收光的光子，另 · 一个单元输送光子的能量，而第三个单元则现实化学反应。由于这些单元在被化学“固定”在一起以前，可分别制造，所以超分子的用途多得出奇。化学工作者可借一些单元的混合搭配，形成为完成特定任务的专用超分子。

这类超分子有一个共同点，即它们均具有一种对于接受光子并吸收其能量来说十分重要的吸光单元。亚利桑那州立大学光合作用中心的D · 格斯特说：“光不是--种很有效的能量形式，必须把它转化为另外的形式”。一些超分子可由“光激发的电荷分离”来实现此种转化。吸光单元可捕获一个光子，该能量可用于把一个电子从超分子的一个单元（电子给予体）转移给另一个单元（电子接受体）。这就使电子给予体带上正电荷，而电子接受体带上负电荷，可使之稳定，保持分开。该分子就成为一个微型电池。格斯特说 :“这样就把一些光子能量以电能形式储存起来”。

格斯特与他的同事T · 穆尔和A · 穆尔以及博士后助手G · 斯坦伯格-雅弗拉赫一起，正在用超分子模拟生物体产生能量的方式，建立分子规模的太阳能电站。他们已建立起一个体系，能把质子抽入称作脂质体的脂肪族分子的空心区域。

他们的超分子处于脂质体的膜上，吸光时即产生正电荷和负电荷。超分子中的卟啉单元捕获光子，并把电子送给分子一端的萘醌单元，在另一端，把正电荷稳定在胡萝卜素的长链上。负电荷被输送至载体分子，然后载体分子从周围的水分子中夺取质子，把它拉入膜的里面。然后超分子另一端来的正电荷被送至载体，后者释放质子进入脂质体内的水中，使水呈酸性。

这样就在脂质体的内外之间建立起“质子梯度”，它是一种储藏的能量。该能量放出，就可推动生物过程。例如，光合细菌可利用穿过细胞膜的质子流驱动三磷腺甙（ATP，供应生物体能量的分子）的合成。格斯特说 :“我们的合成体系也是这样产生生物能。”“我们下一阶段的工作将是把脂质体跟ATP合成酶组合起来，用太阳能人工生产ATP”。

法国斯特拉斯堡大学的J · 皮埃尔 · 索维奇也在制造含有卟啉吸光基团的超分子。把这种超分子与其他以钌原子为基础的吸光基团相组合，获得了十分稳定的电荷分离——稳定的分子电池。这样就有充分的时间在电荷弥散以前利用所产生的电子。意大利波洛尼亚大学的V · 鲍尔泽尼制造了类似的、使用钌和锇的络合物捕获光子和获取光的装置。这种装置产生正、负电荷的效率很高，并且可把能量集中于超分子的特定位置上。

如果只要一个电子驱动反应，电荷的分离均很理想。但如果需要多个电子呢？我们研究组正在着手解决这个问题。我们正在制备光子触发的电子捕集器——储存负电荷的基团。这种电子捕集器还能承担反应部位的作用，因此可以把超分子用来实现许多化学变化。

捕集电子的超分子是个结构复杂的组合件。电子捕集器需要通过桥连单元连接两个或更多个吸光体。为了给电荷分离产生的正电荷提供去处，每个吸光体还必须与一个电子给予体基团相连，才能使电荷稳定。把电子聚集到捕集器也会造成一些麻烦。由于负电荷互相排斥，可能会阻碍电子继续传递给已带负电荷的捕集器。此外，到达捕集器的第一个电子可能会改变桥连单元处的化学键，从而破坏其余电子进入的通道。

弗吉尼亚理工学院的研究组已经克服了上述困难，设计出第一个用于光触发捕集电子的分子操作组合件。能够把两个吸光单元在空间分开，让它们独立工作。1994年，研究生S · 莫尔纳和G · 诺拉斯西森制作了一个超分子装置，它是由两个吸光单元借助两个桥连单元与中央电子捕集器相连而组成的。

该装置由两个钌基吸光体组成，每个吸光体可捕获一个光子，送出一个电子到中央铱基电子捕集器。电子由两个桥连基团传递，后者既是联接单元，又能把电子约束在铱原子附近。虽然这是相当简单的装置，但已证实该超分子能够把电子捕集在一个分子里——这是超分子化学的重大进步。由于这种超分子就是不同的单元固定在一起的作用，因而我们可借交换用作吸光体和电子捕集器的化学基团来改善我们的设计。

这一突破意味着可以预定新的反应部位并把它引入超分子中。当电子捕集器“充满”时，即可起化学变化场所的作用。可以把许多不同的活性部位用钩钩住。北卡罗来纳大学的化学工作者T · 迈耶说：“只要发生光的吸收，电子传递装置合适，几乎可引入任何分子级的催化剂”。

该研究组的E · 布洛克正在设计捕集了电子即能改变形状的基团。这可以打开超分子中的活性部位，能为小分子所接近。或许我们甚至能设计出特定形状和大小的活性部位。我们的一个目标是设计具有酶的特性、仅优先与一种分子反应的活性部位。

脱 开

以金属铑原子作电子捕集和反应部位是最新的超分子的特色。单个原子似乎不能提供太多的改变形状的可能性，但分子的整体形状取决于有多少其他的基团跟铑原子相连。当铑原子捕集到电子时，与其相连的基团数会发生变化。

跟所有的金属一样，金属铑原子对连接在它上面的基团的亲和力取决于它有多少电子。在我们的超分子中，铑原子倾向于以6个键跟其他基团相连。但在捕集到电子以后，就倾向于仅用4个键。因此，它就与原来的两个基团脱开。整个分子的形状视脱开的是哪些基团而发生变化。

我们的超分子中的铑原子在接受两个电子以后，就丢失两个氯原子，导致分子形状剧变。这样，连上去的基团围绕铑原子不是形成三维的络合物，而是形成一个扁平的分子。这样铑原子就变得能为小分子所接近，可利用它的两个多余电子去催化某种化学反应。

我们根据这一概念，在设计一些超分子体系，可以催化利用太阳光生产洁净燃料的过程。我们设计的一些铑和钻的超分子能分解二氧化碳，产生一氧化碳。这一化学变化是由铑或铱原子上的两个电子跃迁到CO₂分子上所引起的。类似的过程能分解水分子产生氢。我们正在考虑制备含铂的超分子来催化这一反应。

一氧化碳和氢均系清洁燃料，燃烧时仅分别生成二氧化碳和水。实际上，我们的超分子或许甚至可用于把海水直接变换成氢，由实际上取之不尽的资源制取燃料。迈耶也在研究能够由水制取氢和氧的、类似的光驱动化学反应器。他还看出，这类反应器有可能用于更复杂的反应，例如可用于制取粘结剂和高聚物用的环氧化物。他说 :“由于我们已经研制出功能明确的分子催化剂，所以这些都成为颇有吸引力的目标”。

要使分子进行所需的化学变化，极其重要的一点，当然是选择合适的反应部位。但它还不是有待改进的全部。连接吸光单元、电子给予体和电子捕集器的低级的桥连基团也能起有益的作用。目前我们正在研究一种能利用桥连单元与肿瘤中的DNA相结合的超分子抗癌剂。

M · 米尔凯维奇、P · 博耶和L · 威廉斯与生物学家B · 雪莉合作，正在制备含有三个单元——吸光单元、桥连单元和活性部分互相键合的分子。我们希望，用光照射这种组合件时，它能破坏肿瘤，起到吸光抗癌剂的作用。桥连单元用来在活性单元被激活以前使超分子先与DNA链微弱地结合起来。桥连单元是借“插入作用”来实现这一结合的，“插入作用”即在大的平而分子与DNA双螺旋结构间发生的一种相互叠合作用。DNA螺旋结构如同由碱基对（它能把遗传信息编码）组成梯级的、盘旋的阶梯一样，我们的桥连单元则是用来放入阶梯的两个梯级之间。

破坏肿瘤

新泽西州南奥林奇塞顿霍尔大学的W · 小墨菲证明了我们使用的金属络合物桥连单元能迅速插入DNA。这种可逆的微弱插入作用把超分子固定在肿瘤上，并能保持足够长的时间，这样我们就可用光去激活活性部位与DNA间缓慢的结合步骤。

我们的超分子抗癌剂活性部位中心是铂原子，与抗癌药物顺二氯二氨铂的活性组分相似。铂原子连在两个氯原子上，后者在铂与DNA相结合时即被丢失。丢失氯原子虽然有点困难，但既然我们已经能使另外的超分子里的铑反应部位在吸光时丢失两个氯原子。所以也有可能使我们的铂基抗癌体系丢失氯原子。

这正是吸光单元作用之所在。借把吸光单元固定在桥连单元上，我们可预定，只要用光活化超分子，即能与DNA结合。这种药物仅在由激光照射时才“接通”肿瘤部位——铂原子与DNA碱基间形成强键，可阻止DNA的分开和复制，从而中止肿瘤细胞的增殖。由于它能排除一些破坏健康部位的毒副作用，所以这是铂基药物的重要进步。

本体系的另一个优点是可以用较宽范围波长的光去激活。我们可以把吸光体“调”到一定的波长来捕集光子，因此有可能用近红外光去激活这种超分子抗癌药。近红外光较可见光更能透过人体，所以近红外激光可用于激活人体深处肿瘤部位的药物。

[New Scientist年8月30日]