表面光驱动分子电机的单分子成像

摘要

本文介绍了如何在表面合成和移植分子马达进行单分子成像。

摘要

演示了一种合成系统的设计和合成, 该系统旨在直接显示表面上单分子水平的合成旋转电机。这项工作需要仔细的设计、相当大的合成努力和适当的分析。^{用 1h}核磁共振和紫外光谱技术显示了分子马达在溶液中的旋转运动。此外, 还介绍了将电机接枝到氨基涂层石英上的方法。这种方法有助于更深入地了解分子机器。

引言

在生物体中, 有丰富的分子马达, 可以维持日常生活。他们能够执行各种任务, 如燃料生产、运输、移动等.在过去的几十年里, 科学家们借鉴了《自然》中这些引人入胜的例子, 开发了一系列的人造分子马达, 将不同类型的能量转化为分子水平^的可控运动^{,3 个,4 个,5,6,7.,8,9,10}. 2016年诺贝尔化学奖授予了这一领域的三位先驱。本·费林加, 获奖者之一, 已经开发了光驱动分子马达, 能够进行持续的单向旋转运动。

然而, 在分子水平上, 布朗运动, 也被称为分子碰撞和振动引起的随机运动, 通常是这些分子马达进一步应用的主要障碍。布朗运动可以破坏任何定向运动。在表面上封闭分子马达可能是克服这一问题的选择之一。通过这样做, 分子的一部分相对于另一个部分的相对旋转被转换为转子相对于表面¹¹的绝对旋转。此外, 使用单分子成像技术可能有助于可视化运动。因此, 这项工作的结果将有助于获得更多的洞察合成分子电机。

吉田和基诺西塔的开拓性工作 (图 2a)^12,13在当前的工作中启发了设计, 如图 2a所示。光驱动分子马达的下半部分连接到表面作为定子。转子部分是功能化的刚性臂和荧光标签。当将两个不同的辐照波长应用到系统中时, 一个将触发电机的旋转, 而另一个将激发荧光标记。原则上, 转子部分的旋转运动触发荧光基团的旋转。因此, 荧光标记的旋转可以通过去聚焦广域荧光显微镜来实现。这种方法首次提供了一种将分子电机的相对旋转转换为绝对旋转的方法, 因此也是一种可视化合成电机旋转的方法。

本文详细介绍了用于单分子成像的分子马达的设计、总合成和溶液异构研究。分子结构如图 3所示。此外, 还介绍了在石英表面附加分子马达的方法。

研究方案

注: 有机合成是本项目的主要核心。图 1显示了关键步骤以及如何获得目标分子。

1. 1b 的准备工作

注: 溶剂是在分析级购买的。

1. 酮的合成 (3)
   注: 首先, 带有 iodo 组的五个成员环酮2是功能化的, 因为它具有更大的反应性。这种反应是在氩的气氛下进行的。
   1. 在一个密封管 (100 毫升) 含有2 (640 毫克, 2.3 mmol)、cui (219 毫克、1.1 mmol) 和 nai (3.44 g, 23 mmol), 添加 1, 4-二氧烷 (50 ml) 和 n, n '-二甲基乙二胺 (202 毫克, 2.3 mmol)。
   2. 将反应温度设置为 140°c, 搅拌24小时。
   3. 将混合物冷却至室温 (rt), 在真空中去除溶剂, 并用闪相色谱法对剩余物料进行纯化: sio₂ (40 g);洗脱: 五边形: etoac = 10:1 (总计 = 550 毫升)。该产品应获得作为黄色, 粘性油 (642 毫克, 91%)。
2. 电机的合成5
   注: 使用巴顿-凯洛格反应形成中央双键。这种反应是在氩下进行的。
   1. 在50毫升的圆底瓶中, 加入 lawesson 的试剂 (415 毫克, 1.1 mmol)、酮3 (219 毫克, 0.68 mmol) 和甲苯 (10 ml)。
   2. 在回流时加热混合物 2小时, 然后蒸发溶剂。
   3. 通过闪列纯化残渣: sio₂ (24 g), 洗脱剂: 戊烷: 乙酸乙酯 = 30:1 (总数 = 155 ml), 以获得相应的硫酮, 该物质随后在 thf 的20毫升中重新溶解, 以产生蓝色溶液。
   4. 在蓝色溶液中加入二氮化合物4 (476 毫克, 1.37 mmol) 的 thf 溶液 (20 毫升), 并在50°c 下搅拌新混合溶液一夜。
      注: 这是整个合成中最关键的一步。重氮化合物和硫酮溶液必须是新鲜的, 应在反应前制造。
   5. 蒸发溶剂, 并通过色谱法纯化残渣: sio₂ (24 克), 洗脱剂: 戊烷: ch2cl₂ = 10xin-1 (总数 = 220 毫升) 产生电机5 (250 毫克, 50%)作为一个红色的固体。
3. 电机的合成6
   注: 当中心双键形成时, 用乙炔基团替换 iodo 组。
   1. 在20毫升的 schlenk 管中, 加入3 (165 毫克, 0.26 mmol)_,pd (pph₃) 2 cl₂ (2.5 摩尔%), cui (5 摩尔%)。然后, 加入 thf (10 ml) 和 (i-pr)₂nh (2毫升), 这些 nh 之前应该用氩泡10分钟。
   2. 在 rt 搅拌混合物10分钟。然后, 加入三异丙基硅基乙炔 (42 毫克, 0.27 mmol)。
   3. 将混合物搅拌 15小时, 然后将其倒入水饱和 nh 4 cl_溶液(25 ml) 中。
   4. 用 ch2 cl₂ (3 x 20 ml) 提取混合物。进一步清洗与饱和盐水和干燥 (na₂so₄) 的组合有机层。
   5. 用闪蒸色谱法除去溶剂, 净化残渣: sio₂ (12 g), 洗脱剂: 戊烷: ch2 cl₂ = 10xin/1 (220 ml), 以产生8作为棕色油 (171 毫克, 99%)。
4. 电机的合成8
   注: 这种反应是在氩下进行的。
   1. 搅拌6 (161 毫克, 0.24 mmol) 的混合物, pinacol 酯7 (240 毫克, 0.24 mmol)、k3 po₄ (300 毫克, 1.44 mmol) 和 pd₍ pph 3) 4(98 毫克, 0.096 mmol) 在90°c 的 442dioxane (20 ml) 在 50ml schlenk 管中16H。
   2. 将混合物冷却到 rt, 用乙酸乙酯 (30 毫升) 稀释, 然后用玻璃过滤器进行过滤。
   3. 取出溶剂。用闪列色谱法纯化残渣: sio₂ (12 g), 洗脱液: 戊烷: ch₂cl₂= 1x:6 (总数 = 122 毫升), 使酯8作为棕色油 (156 毫克, 56%)。
5. 电机9的合成
   1. 在0°c 的20毫升 schlenk 管中, 将 tbaf (0.1 ml) 添加到 thf (10 ml) 中的溶液中8 (120 毫克, 0.13 mmol)。
   2. 将混合物在0°c 下搅拌 1小时, 然后倒入水饱和 nh 4 cl_溶液(20 ml) 中。
   3. 用 chcl 3 ( 3 x 10 ml) 提取后, 用饱和盐水和干 (na 2so4) 清洗复合有机层.
   4. 用闪蒸色谱法除去溶剂, 净化残渣: sio2 (12 g), 洗脱剂: 戊烷: 乙酸乙酯 = 1/3 (124 ml), 以产生9作为暗红色油 (116 毫克, 95%).
6. 电机的合成12
   注: 这种反应是在氩下进行的。
   1. 在20毫升 schlenk 管中, 添加电机9 (75 毫克, 0.10 mmol)、pbi 11 (68 毫克、0.10 mmol) pd (pph 3) 2cl 2 (2.5 mo%)、cui (5 ml%).然后, 加入 thf (10 ml) 和 (i-pr)₂nh (2毫升), 这些 nh 之前应该用氩泡10分钟。
   2. 将混合物搅拌一夜, 倒入水饱和 nh4 cl_溶液中。
   3. 用 chcl 3 ( 3 x 20 ml) 提取后, 用饱和盐水和干 (na 2so4) 清洗复合有机层.
   4. 用闪蒸色谱法除去溶剂, 净化残渣: sio₂ (12 g), 洗脱: chcl 3 (100 ml), 使电机12作为暗红色固体 (66 毫克, 57%).
7. 电机1b 的合成
   注: 当得到酯类化合物, 水解它, 使最终的目标分子。
   1. 在 thf ( 5 毫升)、meoh (5 ml) 和 naoh (aq.) (1 m, 5 ml) 中溶解酯 12 (_{90 毫克,} 0.038 mmol), 并将混合物加热到 75°c, 时间为16小时。
   2. 将混合物冷却到 rt, 加入5毫升的水。通过旋转蒸发去除 thf 和 meoh。
   3. 用 hcl_(aq.) (1 m) 对混合物进行滴定, 直到达到 ph 值为 1, 形成棕色沉淀物。将混合物过滤, 用冷水 (10 毫升) 清洗棕色固体, 在真空中干燥。这种棕色固体是目标分子1b (55 毫克, 85%)。

2. 电机功能化单层 ms-1b 的制备

1. 在90°c 下, 将石英块浸入食人鱼溶液中 (h2so 4 中 30% h2o2 的3:7 比率) 1 小时, 用双蒸馏水混合冲洗 3x, 然后用 meoh 冲洗. 在表面改性之前, 先在_n2的水流下擦干滑块。
2. 在 rt 新鲜蒸馏的甲苯中浸泡在新鲜蒸馏的甲苯中, 将用精氨酸和 meoh 混合在一起, 将用用精加工的石英酶浸渍 1 mm 溶液, 使其氧化硅化。
3. 先用甲苯将石英状, 然后用 meoh 将其晒干, 然后在一片氩的水流中将其烘干。
4. 将氨基涂层滑块浸泡在1b (^10-4 m) 的 dmf 溶液中, 在 rt 中浸泡12小时。
5. 用 dmf、水和 meoh 清洗滑梯, 然后在一片氩的水流中将其擦干。干燥后, 幻灯片即可使用。

结果

分子马达的辐照是用紫外光进行的 (最大_值= 365 nm)。在辐照时, 在中心双键周围发生光致e-z异构。在这个过程中, 分子从一个稳定的异构体转化为不稳定的异构体。然后是热激活的螺旋反转步骤来释放整个分子的应变。这将导致原始的稳定状态。¹然后使用 h 核磁共振光谱仪来评估旋转过程 (图 4a)。样品的溶液在核磁共振管中制备, 然后在管旁边放置一盏紫外线灯 (_最大值 = 365 nm)。经过2小时的照射, 1 h 核磁共振谱有明显的变化。这些变化表明产生了一个被认为不稳定的新异构体 1b (图 4b)。从¹h 核磁共振光谱中可以看出, h_从2.9 ppm (双双双双双) 到 3.3 ppm (双双双双双) 从 2.9 ppm (双双双双双) 转变。1.4 ppm 的信号可以被指定为甲基基团的吸收, 它的下场从 1.4 ppm 转移到 1.6 ppm。当样品在室温下在黑暗中过夜时, 可以恢复原始光谱 (图 4a)。它表明了将不稳定的1b 转化为稳定1b 的热螺旋反转过程。

为了研究电机1b 在表面上的旋转运动, 制备了表面连接电机组件 ms-1b (ms = 表面上的电机)。石英滑块首先用胺功能化。经过这一步, 石英在 rt 隔夜浸入1b 的 dmf 溶液 (^10-4 m) 中。由此产生的石英用 dmf、水和 meoh 冲洗。然后将准备好的石英幻灯片提交 uve/vis 研究。图 5b显示了 ms-1b (实线) 的 uv/吸收谱。从光谱中可以看出, 主要的吸收带和吸收剖面与溶液中观察到的相似 (图 5a)。它还显示了电机 (420 纳米) 和 pbi (456 nm, 456 纳米, 524 纳米) 的特性吸收。这些峰值表明电机1b 成功地附着在氨基涂层表面上。此外, 石英滑块经过15分钟的辐照, 光谱变化被观察到与溶液相似, 表明产生了不稳定的 ms-1b。

图 1: 用于制备目标分子1b 的合成方案.该方案显示了每个步骤中使用的试剂、溶剂和反应条件。

图 2:(a) 在表面接枝的 f₀f 1-atpase_结构示意图, 以便实现单向旋转的可视化 (经允许^复制)。(b) 用于单分子成像的合成表面结合光驱动分子马达的概念设计。

图 3: 表面结合分子马达1b 的结构, 在电机核心和 pbi 标签之间承载刚性长臂. 

图 4:的脂肪区¹电机1b 的 h-nmr 谱 (cd₂cl₂,-20°c, c = 10-3m )(a) 辐照前的稳定 1b (365 纳米)。(b) 辐照后的照片静止态混合物。请点击这里查看此图的较大版本.

图 5: uv/vis 吸收光谱.(a) 电机 1b (ch₂cl₂, 0°c)、稳定异构体 (实线) 和 pss 不稳定异构体 (虚线) 的 uv/吸收光谱。(b) ms-1b (石英, 4°c) 在 (实线) 之前和之后 (虚线) 辐照。

讨论

该项目涉及大量的综合工作;因此, 最关键的一步是向最终分子的有机合成。在总合成中, 巴顿-凯洛格反应是关键的一步, 因为它是分子马达中心双键形成的反应。目前, 已经使用了几种方法来形成这些类型的结构。在这里, 使用了重氮硫酮偶联, 并分别制备了上半和下半偶氮酮化合物。硫酮和重氮化合物在空气中通常不稳定;因此, 反应需要在严格的惰性气氛下快速运行。

现有的限制分子马达表面的方法大多是基于双足系统。然而, 由于分子间的相互作用, 以前设计的双足电机的异构过程受到阻碍。此外, 一些双足的例子需要进一步激活之前, 附件。电流方法以四足的方式实现了这一点, 它提供了电机在有足够隔离空间的表面上的鲁棒连接。

这种方法的一个局限性是荧光标记的选择。只允许使用具有特定波长的染料, 因为电机的旋转是由 365 nm 波长触发的, 因此不应该重叠。此外, 所述针对目标分子的协议中使用的合成路线需要几个步骤, 在这些步骤中, 完成反应需要苛刻的条件。在未来, 如果需要更先进的单一分子成像分子, 可能需要更简单的合成设计。

最后, 首次介绍了一种高功能化光驱动分子电机的设计与合成。还讨论了合成工作的一些细节。此外, 还演示了将电机移植到石英滑面上的方法, 并对样品进行了进一步的测试, 以实现单分子运动^的可视化14。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
NMR spectrometer	Varian	AMX400	for proton nmr study
Reagent for organic reactions	Sigma	analytical grade	reagent for organic reactions
Silica gel	Merck	230-400 mesh ASTM	Flash chromatography
Solvent	Acros	spectrophotometric grade	Flash chromatography
UV lamp	ENB	280C	for UV-vis irradation
UV-vis absorption spectrophotometer	JASCO	V-630	UV-vis measurment