stringtranslate.com

Синтетический молекулярный двигатель

Молекулярно-динамическое моделирование синтетического молекулярного ротора, состоящего из трех молекул в нанопоре (внешний диаметр 6,7 нм) при 250 К. [1]

Синтетические молекулярные двигатели — это молекулярные машины, способные осуществлять непрерывное направленное вращение под воздействием энергии. [2] Хотя термин «молекулярный двигатель» традиционно относится к встречающемуся в природе белку, который вызывает движение (посредством динамики белка ), некоторые группы также используют этот термин, говоря о небиологических, непептидных синтетических двигателях. Многие химики занимаются синтезом таких молекулярных моторов.

Основные требования к синтетическому двигателю — повторяющееся движение на 360°, потребление энергии и однонаправленное вращение. [ нужна цитация ] Первые две попытки в этом направлении, двигатель с химическим приводом доктора Т. Росса Келли из Бостонского колледжа с коллегами и двигатель с легким приводом Бена Феринга и коллег, были опубликованы в 1999 году в журнале тот же выпуск Nature .

По состоянию на 2020 год самая маленькая молекулярная машина атомарной точности имеет ротор, состоящий из четырех атомов. [3]

Роторные молекулярные двигатели с химическим приводом[4]

Пример прототипа синтетического роторного молекулярного двигателя с химическим приводом был описан Келли и его коллегами в 1999 году. [5] Их система состоит из трехлопастного триптиценового ротора и гелицена и способна выполнять однонаправленное движение. Вращение на 120°.

Эта ротация происходит в пять этапов. Аминная группа, присутствующая в триптиценовом фрагменте , превращается в изоцианатную группу путем конденсации с фосгеном ( а ). Термическое или спонтанное вращение вокруг центральной связи затем приближает изоцианатную группу к гидроксильной группе , расположенной на гелиценовом фрагменте ( b ), тем самым позволяя этим двум группам взаимодействовать друг с другом ( c ). Эта реакция необратимо превращает систему в напряженный циклический уретан , энергия которого выше и, следовательно, энергетически ближе к вращательному энергетическому барьеру, чем исходное состояние. Поэтому дальнейшее вращение триптиценового фрагмента требует лишь относительно небольшой термической активации , чтобы преодолеть этот барьер и тем самым снять напряжение ( d ). Наконец, расщепление уретановой группы восстанавливает аминную и спиртовую функциональность молекулы ( e ).

Результатом этой последовательности событий является однонаправленный поворот триптиценового фрагмента на 120° относительно гелиценового фрагмента. Дополнительное вращение вперед или назад триптиценового ротора тормозится гелиценовым фрагментом, который выполняет функцию, аналогичную функции собачки храповика . Однонаправленность системы является результатом как асимметричного перекоса гелиценового фрагмента, так и деформации циклического уретана, который образуется в c . Эту деформацию можно снизить только вращением триптиценового ротора по часовой стрелке в d , поскольку как вращение против часовой стрелки, так и обратный процесс d энергетически невыгодны. В этом отношении предпочтение направления вращения определяется как положением функциональных групп, так и формой гелицена и, таким образом, встроено в конструкцию молекулы, а не диктуется внешними факторами.

Прототип роторного молекулярного двигателя с химическим приводом, разработанный Келли и его коллегами.

Двигатель Келли и его коллег является элегантным примером того, как можно использовать химическую энергию для создания контролируемого однонаправленного вращательного движения — процесса, который напоминает потребление АТФ в организме для подпитки многочисленных процессов. Однако у него есть серьезный недостаток: последовательность событий, приводящая к повороту на 120°, не повторяется. Поэтому Келли и его коллеги искали способы расширить систему, чтобы эту последовательность можно было выполнять неоднократно. К сожалению, их попытки достичь этой цели не увенчались успехом, и в настоящее время проект закрыт. [6] В 2016 году группа Дэвида Ли изобрела первый автономный синтетический молекулярный двигатель на химическом топливе. [7]

Сообщалось о некоторых других примерах синтетических вращающихся молекулярных двигателей с химическим приводом, которые работают за счет последовательного добавления реагентов, включая использование стереоселективного раскрытия кольца рацемического биариллактона с помощью хиральных реагентов, что приводит к направленному вращению на 90 ° . одного арила по отношению к другому арилу. Браншо и его коллеги сообщили, что этот подход, за которым следует дополнительный этап замыкания кольца, можно использовать для выполнения неповторяющегося поворота на 180°. [8]

Роторный молекулярный двигатель с химическим приводом, разработанный Ферингой и его коллегами.

Феринга и его коллеги использовали этот подход при разработке молекулы, которая может повторять вращение на 360°. [9] Полное вращение этого молекулярного двигателя происходит в четыре этапа. На стадиях А и С вращение арильного фрагмента ограничено, хотя инверсия спирали возможна. На стадиях B и D арил может вращаться относительно нафталина со стерическими взаимодействиями , препятствующими прохождению арила через нафталин. Ротационный цикл состоит из четырех химически вызванных стадий, которые осуществляют преобразование одной стадии в следующую. Стадии 1 и 3 представляют собой реакции асимметричного раскрытия кольца, в которых используется хиральный реагент, чтобы контролировать направление вращения арила. Стадии 2 и 4 состоят из снятия защиты с фенола с последующим образованием региоселективного кольца.

Световые роторные молекулярные двигатели

Вращательный цикл вращающегося молекулярного двигателя с приводом от света, разработанный Ферингой и его коллегами.

В 1999 году лаборатория профессора доктора Бена Л. Феринга в Университете Гронингена , Нидерланды , сообщила о создании однонаправленного молекулярного ротора. [10] Их молекулярная моторная система на 360° состоит из бис- гелицена , соединенного двойной алкеновой связью, обладающего аксиальной хиральностью и имеющего два стереоцентра .

Один цикл однонаправленного вращения занимает 4 стадии реакции. Первым этапом является низкотемпературная эндотермическая фотоизомеризация транс- ( P , P )-изомера 1 в цис- ( M , M ) 2 , где P означает правую спираль , а M - левую спираль. В этом процессе две аксиальные метильные группы превращаются в две менее стерически выгодные экваториальные метильные группы.

При повышении температуры до 20 °C эти метильные группы экзотермически превращаются обратно в ( P , P ) цис -аксиальные группы ( 3 ) в инверсии спирали . Поскольку аксиальный изомер более стабилен, чем экваториальный, обратное вращение блокируется. Вторая фотоизомеризация превращает ( P , P ) цис 3 в ( M , M ) транс 4 , снова с сопутствующим образованием стерически неблагоприятных экваториальных метильных групп. Процесс термической изомеризации при 60 ° C замыкает цикл на 360 ° обратно в осевые положения.

Синтетические молекулярные моторы: флуореновая система.

Основным препятствием, которое необходимо преодолеть, является длительное время реакции для полного вращения в этих системах, которое не может сравниться со скоростями вращения, демонстрируемыми моторными белками в биологических системах. В самой быстрой на сегодняшний день системе с нижней половиной флуорена период полураспада тепловой инверсии спирали составляет 0,005 секунды. [11] Это соединение синтезируется с использованием реакции Бартона-Келлога . Считается, что в этой молекуле самый медленный этап ее вращения, термически индуцированная инверсия спирали, происходит гораздо быстрее, поскольку более крупная трет -бутильная группа делает нестабильный изомер еще менее стабильным, чем при использовании метильной группы. Это связано с тем, что нестабильный изомер более дестабилизирован, чем переходное состояние , которое приводит к инверсии спирали. Различное поведение двух молекул иллюстрируется тем фактом, что время полураспада соединения с метильной группой вместо трет -бутильной группы составляет 3,2 минуты. [12]

Принцип Феринга был использован в прототипе нанокара . [13] Синтезированный автомобиль имеет двигатель на основе гелицена с олиго (фенилен-этиниленовым) шасси и четырьмя карборановыми колесами и, как ожидается, сможет передвигаться по твердой поверхности с контролем сканирующей туннельной микроскопии , хотя до сих пор этого не наблюдалось. . Двигатель не работает с фуллереновыми колесами, поскольку они подавляют фотохимию моторного фрагмента . Также было показано, что двигатели Feringa сохраняют работоспособность при химическом прикреплении к твердым поверхностям. [14] [15] Также была продемонстрирована способность некоторых систем Feringa действовать как асимметричный катализатор . [16] [17]

В 2016 году Феринга был удостоен Нобелевской премии за работу над молекулярными моторами.

Экспериментальная демонстрация одномолекулярного электродвигателя

Сообщалось об одномолекулярном электродвигателе, изготовленном из одной молекулы н -бутилметилсульфида (C 5 H 12 S). Молекула адсорбируется на куске монокристалла меди ( 111) путем хемосорбции . [18]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Пальма, Калифорния; Бьорк, Дж.; Рао, Ф.; Кюне, Д.; Клаппенбергер, Ф.; Барт, СП (2014). «Топологическая динамика в супрамолекулярных роторах». Нано-буквы . 148 (8): 4461–4468. Бибкод : 2014NanoL..14.4461P. дои : 10.1021/nl5014162. ПМИД  25078022.
  2. ^ Кассем, Сальма; ван Леувен, Томас; Люббе, Анук С.; Уилсон, Мириам Р.; Феринга, Бен Л.; Ли, Дэвид А. (2017). «Искусственные молекулярные моторы». Обзоры химического общества . 46 (9): 2592–2621. дои : 10.1039/C7CS00245A. ПМИД  28426052.
  3. ^ Штольц, Самуэль; Грёнинг, Оливер; Принц, Ян; Брюн, Харальд; Видмер, Роланд (15 июня 2020 г.). «Молекулярный двигатель, пересекающий границу от классического к квантовому туннельному движению». Труды Национальной академии наук . 117 (26): 14838–14842. Бибкод : 2020PNAS..11714838S. дои : 10.1073/pnas.1918654117 . ISSN  0027-8424. ПМЦ 7334648 . ПМИД  32541061. 
  4. ^ Мондал, Анирбан; Тойода, Рёдзюн; Костиль, Ромен; Феринга, Бен Л. (5 сентября 2022 г.). «Вращающиеся молекулярные машины с химическим приводом». Angewandte Chemie, международное издание . 61 (40): e202206631. дои : 10.1002/anie.202206631. ПМЦ 9826306 . ПМИД  35852813. 
  5. ^ Келли, TR; Де Силва, Х; Сильва, РА (1999). «Однонаправленное вращательное движение в молекулярной системе». Природа . 401 (6749): 150–2. Бибкод : 1999Natur.401..150K. дои : 10.1038/43639. PMID  10490021. S2CID  4351615.
  6. ^ Келли, Т. Росс; Цай, Сяолу; Дамкачи, Фехми; Паникер, Шрилета Б.; Ту, Бин; Бушелл, Саймон М.; Корнелла, Иван; Пигготт, Мэтью Дж.; Саливс, Ричард; Каверо, Марта; Чжао, Яджун; Жасмин, Серж (2007). «Прогресс к рационально спроектированному роторному молекулярному двигателю с химическим приводом». Журнал Американского химического общества . 129 (2): 376–86. дои : 10.1021/ja066044a. ПМИД  17212418.
  7. ^ Уилсон, MR; Сола, Дж.; Карлоне, А.; Голдуп, С.М.; Лебрассер, Н.; Ли, Д.А. (2016). «Автономный низкомолекулярный двигатель на химическом топливе». Природа . 534 (7606): 235–240. Бибкод : 2016Natur.534..235W. дои : 10.1038/nature18013. PMID  27279219. S2CID  34432774. Архивировано из оригинала 9 июня 2016 года.
  8. ^ Линь, Инь; Даль, Барт Дж.; Браншо, Брюс П. (2005). «Чистое направленное вращение арил-ариловой связи на 180 ° в прототипе ахирального синтетического молекулярного двигателя на биариллактоне». Буквы тетраэдра . 46 (48): 8359. doi :10.1016/j.tetlet.2005.09.151.
  9. ^ Флетчер, СП; Дюмур, Ф; Поллард, ММ; Феринга, Б.Л. (2005). «Реверсивный однонаправленный молекулярный вращающийся двигатель, приводимый в движение химической энергией». Наука . 310 (5745): 80–82. Бибкод : 2005Sci...310...80F. дои : 10.1126/science.1117090. hdl : 11370/50a4c59b-e2fd-413b-a58f-bd37494432e9 . PMID  16210531. S2CID  28174183.
  10. ^ Феринга, Бен Л.; Комура, Нагатоши; Зийлстра, Роберт У.Дж.; Ван Делден, Ричард А.; Харада, Нобуюки (1999). «Однонаправленный молекулярный ротор с приводом от света» (PDF) . Природа . 401 (6749): 152–5. Бибкод : 1999Natur.401..152K. дои : 10.1038/43646. hdl : 11370/d8399fe7-11be-4282-8cd0-7c0adf42c96f . PMID  10490022. S2CID  4412610.
  11. ^ Викарио, Хавьер; Уолко, Мартин; Меецма, Ауке; Феринга, Бен Л. (2006). «Точная настройка вращательного движения путем структурной модификации в однонаправленных молекулярных двигателях с приводом от света» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 128 (15): 5127–35. дои : 10.1021/ja058303m. ПМИД  16608348.
  12. ^ Викарио, Хавьер; Меецма, Ауке; Феринга, Бен Л. (2005). «Управление скоростью вращения молекулярных двигателей. Резкое ускорение вращательного движения за счет структурной модификации». Химические коммуникации (47): 5910–2. дои : 10.1039/b507264f. ПМИД  16317472.
  13. ^ Морен, Жан-Франсуа; Шираи, Ясухиро; Тур, Джеймс М. (2006). «На пути к моторизованному нанокару». Органические письма . 8 (8): 1713–6. дои : 10.1021/ol060445d. ПМИД  16597148.
  14. ^ Кэрролл, Грегори Т.; Поллард, Майкл М.; Ван Делден, Ричард; Феринга, Бен Л. (2010). «Управляемое вращательное движение световых молекулярных двигателей, собранных на золотой пленке». Химическая наука . 1 : 97. дои : 10.1039/C0SC00162G. S2CID  97346507.
  15. ^ Кэрролл, Грегори Т.; Лондон, Габор; Ландалусе, Татьяна Фернандез; Рудольф, Петра ; Феринга, Бен Л. (2011). «Адгезия фотонных молекулярных двигателей к поверхностям посредством 1,3-диполярного циклоприсоединения: влияние межфазных взаимодействий на молекулярное движение» (PDF) . АСУ Нано . 5 (1): 622–30. дои : 10.1021/nn102876j. PMID  21207983. S2CID  39105918.
  16. ^ Ван, Дж.; Феринга, БЛ (2011). «Динамический контроль кирального пространства в каталитической асимметричной реакции с использованием молекулярной моторики». Наука . 331 (6023): 1429–32. Бибкод : 2011Sci...331.1429W. дои : 10.1126/science.1199844. PMID  21310964. S2CID  24556473.
  17. ^ Оой, Т. (2011). «Тепловое и световое переключение хирального катализатора и его продуктов». Наука . 331 (6023): 1395–6. Бибкод : 2011Sci...331.1395O. дои : 10.1126/science.1203272. PMID  21415343. S2CID  206532839.
  18. ^ Тирни, Х.; Мерфи, К.; Джуэлл, А. (2011). «Экспериментальная демонстрация одномолекулярного электродвигателя». Природные нанотехнологии . 6 (10): 625–629. Бибкод : 2011NatNa...6..625T. дои : 10.1038/nnano.2011.142. ПМИД  21892165.