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合成分子モーターは、エネルギー入力によって連続的な方向性回転が可能な分子機械である。 [ 2 ] 「分子モーター」という用語は、従来、運動を誘発する（タンパク質ダイナミクスによる）天然タンパク質を指してきたが、一部のグループは、非生物学的、非ペプチドの合成モーターを指す場合にもこの用語を使用している。多くの化学者が、このような分子モーターの合成に取り組んでいる。
合成モーターの基本的な要件は、360°の反復運動、エネルギー消費、および一方向回転である。この方向への最初の2つの取り組み、ボストンカレッジのT・ロス・ケリー博士とその同僚による化学駆動モーターと、ベン・フェリンガとその同僚による光駆動モーターは、1999年に同じネイチャー誌に掲載された。
2020年現在、原子レベルで精密な最小の分子機械は、4つの原子からなるローターを備えている。[ 3 ]
出典：[ 4 ]
合成化学駆動回転分子モーターのプロトタイプの例は、1999年にケリーらが報告した。[ 5 ]彼らのシステムは、3枚羽根のトリプチセンローターとヘリセンから構成されており、一方向120°回転を実行できる。
この回転は5つのステップで起こります。トリプチセン部分に存在するアミン基は、ホスゲンとの縮合によりイソシアネート基に変換されます（a ）。次に、中心結合の周りの熱回転または自発回転により、イソシアネート基がヘリセン部分にあるヒドロキシル基に近づき（ b）、それによってこれら2つの基が互いに反応できるようになります（c）。この反応により、系は不可逆的に、エネルギーが高く、したがって元の状態よりも回転エネルギー障壁にエネルギー的に近い、歪んだ環状ウレタンとして捕捉されます。したがって、トリプチセン部分のさらなる回転には、この障壁を乗り越えるために比較的少量の熱活性化のみが必要であり、それによって歪みが解放されます（d ）。最後に、ウレタン基の切断により、分子のアミンおよびアルコール官能基が回復します（ e）。
この一連の事象の結果、トリプチセン部分はヘリセン部分に対して一方向の120°回転する。トリプチセン回転子のさらなる順方向または逆方向の回転は、ラチェットの爪と同様の機能を果たすヘリセン部分によって阻害される。このシステムの一方向性は、ヘリセン部分の非対称な歪みと、 cで形成される環状ウレタンの歪みの両方に起因する。この歪みは、 dにおけるトリプチセン回転子の時計回りの回転によってのみ低減できる。反時計回りの回転とdの逆過程は、いずれもエネルギー的に不利だからである。この点において、回転方向の選択性は、官能基の位置とヘリセンの形状の両方によって決定され、外部要因によって決定されるのではなく、分子の設計に組み込まれている。
ケリーらが開発したモーターは、化学エネルギーを用いて制御された一方向の回転運動を誘発する方法の優れた例であり、生物がATPを消費して様々なプロセスにエネルギーを供給するプロセスに似ている。しかし、深刻な欠点がある。120°回転に至る一連のイベントは再現できない。そのため、ケリーらは、この一連のイベントを繰り返し実行できるようにシステムを拡張する方法を模索してきた。残念ながら、この目標を達成しようとする試みは成功せず、現在プロジェクトは放棄されている。[ 6 ] 2016年に、デイビッド・リーのグループが、初の自律型化学燃料合成分子モーターを発明した。[ 7 ]
試薬を順次添加することで動作する合成化学駆動回転分子モーターの他の例もいくつか報告されており、その中にはキラル試薬を用いたラセミ体ビアリールラクトンの立体選択的開環反応があり、これにより一方のアリール基が他方のアリール基に対して90°回転する。Branchaudらは、この方法に続いてさらに閉環ステップを行うことで、再現不可能な180°回転を実現できることを報告している。[ 8 ]
Feringa らは、このアプローチを用いて、360° 回転を繰り返すことができる分子を設計した。[ 9 ]この分子モーターの完全な回転は 4 つの段階で行われる。段階 A と C では、アリール部分の回転は制限されるが、らせん反転は可能である。段階 B と D では、アリールはナフタレンに対して回転できるが、立体相互作用によりアリールがナフタレンを通過することができない。回転サイクルは、1 つの段階から次の段階への変換を実現する 4 つの化学的に誘発されるステップから構成される。ステップ 1 と 3 は、アリールの回転方向を制御するためにキラル試薬を使用する不斉開環反応である。ステップ 2 と 4 は、フェノールの脱保護とそれに続く位置選択的な環形成から構成される。
1999年、オランダのフローニンゲン大学のベン・L・フェリンガ教授の研究室は、一方向性分子ローターの作成を報告した。[ 10 ]彼らの360°分子モーターシステムは、軸不斉を示し2つの立体中心を持つアルケン二重結合で連結されたビスヘリセンで構成されている。
一方向回転の1サイクルは4つの反応ステップから構成される。最初のステップは、トランス( P , P )異性体1からシス( M , M ) 2への低温吸熱光異性化である。ここで、Pは右巻きらせん、Mは左巻きらせんを表す。この過程で、2つの軸方向メチル基は、立体的に不利な2つの赤道方向メチル基に変換される。
温度を20 ℃まで上げると、これらのメチル基はらせん反転を起こして発熱的に( P , P )シス軸基( 3 )に逆変換される。軸異性体は赤道異性体よりも安定であるため、逆回転は阻止される。2回目の光異性化により、( P , P )シス3は( M , M )トランス4に変換され、立体的に不利な赤道メチル基が再び形成される。60 ℃での熱異性化プロセスにより、 360°サイクルが閉じ、軸位置に戻る。
克服すべき大きな障害は、これらのシステムでの完全な回転に要する反応時間が長いことであり、これは生物システムのモータータンパク質が示す回転速度とは比較にならない。これまでに最も速いシステムであるフルオレン下半分では、熱によるらせん反転の半減期は0.005秒である。[ 11 ]この化合物はバートン・ケロッグ反応を用いて合成される。この分子では、回転の最も遅い段階である熱誘起らせん反転は、より大きなtert-ブチル基によって不安定な異性体がメチル基を使用した場合よりもさらに不安定になるため、はるかに速く進行すると考えられている。これは、不安定な異性体がらせん反転につながる遷移状態よりも不安定化されているためである。2つの分子の異なる挙動は、 tert-ブチル基の代わりにメチル基を持つ化合物の半減期が3.2分であるという事実によって示される。[ 12 ]
フェリンガ原理はプロトタイプのナノカーに組み込まれている。[ 13 ]合成された車は、オリゴ（フェニレンエチニレン）シャーシと4つのカルボランホイールを備えたヘリセン由来のエンジンを持ち、走査トンネル顕微鏡によるモニタリングで固体表面上を移動できると予想されているが、今のところこれは観察されていない。モーターは、モーター部分の光化学を消光するため、フラーレンホイールでは機能しない。フェリンガモーターは、固体表面に化学的に結合しても動作可能であることも示されている。[ 14 ] [ 15 ]特定のフェリンガシステムが不斉触媒として機能する能力も実証されている。[ 16 ] [ 17 ]
2016年、フェリンガは分子モーターに関する研究でノーベル賞を受賞した。
n-ブチルメチルスルフィド（C 5 H 12 S）の単一分子から作られた、単一分子電気駆動モーターが報告されている。この分子は、化学吸着によって銅（111）単結晶片に吸着される。[ 18 ]