輪烷（rotaxane）是一種「機械互鎖分子」，它是由一個大環套在一根啞鈴狀的分子軸上所構成的，軸的兩端接有龐大的「塞子」基團擋住大環，使其無法脫落。因此，大環與軸雖然沒有以化學鍵相連，卻被機械性地鎖在一起，無法分開。傳統上要合成輪烷，得先靠大環與分子軸之間的辨識作用，將兩者湊在一起，再以化學鍵固定，例如在大環的孔洞中把軸組裝出來，或讓大環繞著現成的軸成形；無論哪種做法，大環上都必須帶有能辨識分子軸的特定官能基。2006年問世的「主動模板合成」，能夠讓大環的孔洞去加速分子軸的鍵結反應，大環同時扮演著「催化」與「定位」兩種角色，並藉由動力學控制一步完成穿線與鍵結。然而，不論是靠金屬離子還是官能基，這些用來加速反應的特殊結構都必須長在大環上；倘若能把角色反轉過來，改由分子軸誘導大環在自己身上成形，就能免除大環必須具備特定結構的限制，並以此大幅增加可合成的互鎖分子種類。只是這件事本身相當困難，難點在於，柔軟的鏈狀分子難以維持固定的三維形狀來擺放官能基，就算勉強擺好，也容易發生分子間的反應，而非乖乖繞著軸成環。那麼，科學家有辦法克服這個難題嗎？

近日，英國曼徹斯特大學的研究團隊，成功實現了這種「角色翻轉」的無金屬主動模板輪烷合成。他們以兩端封上塞子的柔軟寡聚乙二醇（oligo(ethylene glycol)，簡稱OEG）鏈作為分子軸，再加入二酯與二胺作為大環的組成單元。研究團隊發現，OEG鏈上的氧原子能透過氫鍵穩定醯胺鍵形成時的過渡態，使二酯與二胺傾向繞著這根軸閉合成環，讓輪烷產率最高可達70%。若把OEG鏈加長，還能一步步在同一根軸上串起多個大環，最多可達四個。研究團隊還進一步發現，已經套上的大環還會加速後續的成環反應；X光晶體結構顯示，這些大環在軸上緊密疊成螺旋狀，彼此以氫鍵與芳香堆疊相互穩定，這正是後期成環愈來愈快的原因。最後，團隊移除了醯胺鍵，得到「純碳氫大環套在OEG軸上」的輪烷，成為了目前結構最精簡的機械互鎖分子之一。