Motores moleculares basadas en la luz en superficies para la proyección de imagen Molecular solo

Resumen

El manuscrito describe cómo sintetizar e injerto un motor molecular en las superficies para la proyección de imagen molecular solo.

Resumen

El diseño y síntesis de un sistema sintético que tiene como objetivo la visualización directa de un motor rotativo sintético en el nivel de molécula única en superficies se demuestran. Este trabajo requiere de cuidado diseño, un considerable esfuerzo sintético y análisis adecuado. Se muestra el movimiento de rotación del motor molecular en solución por ¹H NMR y técnicas de espectroscopia de absorción UV-vis. Además, se describe el método de injerto el motor en un cuarzo recubierto de Amina. Este método ayuda a conocer más de máquinas moleculares.

Introducción

En los organismos vivos, hay abundantes motores moleculares funcionamiento para mantener la vida diaria. Son capaces de realizar distintas tareas, tales como la producción de combustibles, transporte, movilidad, etc.¹. Dibujo de la inspiración de estos fascinantes ejemplos en la naturaleza, los científicos han desarrollado una serie de motores moleculares artificiales durante las últimas décadas para convertir a diferentes tipos de energía en el movimiento controlado en el nivel molecular^{2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10}. fue galardonado con el Premio Nobel de química en el año 2016 a tres pioneros en este campo. Ben Feringa, uno de los galardonados, ha desarrollado el motor molecular basada en la luz que es capaz de experimentar movimiento rotatorio unidireccional continuo.

Sin embargo, a nivel molecular, movimiento browniano, también conocido como el movimiento aleatorio debido a las colisiones moleculares y vibraciones, suele ser el principal obstáculo para el uso posterior de estos motores moleculares. Movimiento browniano puede interrumpir cualquier movimiento dirigido. El confinamiento de los motores moleculares en las superficies puede ser una de las opciones para superar este problema. Al hacerlo, se convierte la rotación relativa de una parte de la molécula con respecto al otro a la rotación absoluta del rotor con respecto a la superficie¹¹. Además, el uso de la única técnica de imagen molecular puede ayudar a visualizar el movimiento. Por lo tanto, los resultados obtenidos por este trabajo ayudarán a profundizar más en el motor molecular sintético.

El pionero trabajo de Yoshida y Kinosita (Figura 2a)^12,13 ha servido como la inspiración para el diseño en el trabajo actual, se muestra en la figura 2b. La mitad inferior de un motor molecular basada en la luz se une a una superficie como el estator. La parte del rotor es funcionalizada con un brazo rígido y una etiqueta fluorescente. Al aplicar dos longitudes de onda diferentes de la irradiación al sistema, uno activará la rotación del motor, mientras que la otra excita la etiqueta fluorescente. En principio, el movimiento de rotación de la parte del rotor provoca la rotación del grupo fluorescente. Por lo tanto, la rotación de la etiqueta fluorescente puede seguirse por microscopía de fluorescencia de campo amplio defocused. Este método ofrece, por primera vez, un método para convertir la rotación relativa de un motor molecular en rotación absoluta y por lo tanto una forma de visualizar la rotación de un motor sintético.

Este artículo proporciona detalles sobre el diseño, la síntesis total y solución estudios de isomerización de un motor molecular que se utiliza para la proyección de imagen molecular solo. La estructura molecular se muestra en la figura 3. Además, se describe el método para fijar motores moleculares en la superficie del cuarzo.

Protocolo

Nota: Síntesis orgánica es la base principal de este proyecto. La figura 1 muestra los pasos clave y cómo obtener la molécula objetivo.

1. preparación de 1b

Nota: Los solventes fueron comprados en grado analítico.

1. Síntesis de la cetona (3)
   Nota: En el primero, un anillo de cinco miembros cetona 2 con un grupo de iodo es functionalized porque es más reactivo. Esta reacción se realiza bajo atmósfera de argón.
   1. En un tubo sellado (100 mL) que contiene 2 (640 mg, 2.3 mmol), CuI (219 mg, 1,1 mmol) y NaI (3,44 g, 23 mmol), añaden 1, 4-dioxano (50 mL) y N, N'-dimetil etilendiamina (202 mg, 2.3 mmol).
   2. Ajustar la temperatura de reacción de 140 ° C y agitar durante 24 horas.
   3. Enfriar la mezcla a temperatura ambiente (RT), eliminar el disolvente en vacío y purificar el material restante por cromatografía flash: SiO₂ (40 g); eluyente: pentano: EtOAc = 10:1 (total = 550 mL). El producto debe obtenerse como un aceite amarillo, pegajoso (642 mg, 91%).
2. Síntesis de motor 5
   Nota: Utilizar la reacción de Barton-Kellogg para formar el enlace doble central. Esta reacción se lleva a cabo bajo argón.
   1. En un matraz de fondo redondo de 50 mL, agregar reactivo (415 mg, 1,1 mmol) de Lawesson, cetona 3 (219 mg, 0.68 mmol) y tolueno (10 mL).
   2. Calentar la mezcla a reflujo durante 2 h y posteriormente se evapora el solvente.
   3. Purificar los residuos por columna flash: SiO₂ (24 g), eluyente: acetato de etilo: pentano = 30: 1 (total = 155 mL) para obtener la correspondiente thioketone, que es posteriormente se redisuelve en 20 mL de THF para rendir una solución azul.
   4. Agregar una solución THF (20 mL) de los compuestos diazo 4 (476 mg, 1,37 mmol) para la solución de azul y agitar la solución recién mezclada a 50 ° C durante la noche.
      Nota: Este es el paso más crucial de la síntesis de todo. La solución diaza compuesto y thioketone debe ser fresca y debe realizarse antes de la reacción.
   5. Evaporar el solvente y purificar los residuos por cromatografía: SiO₂ (24 g), eluyente: pentano: CH₂Cl₂ = 10:1 (total = 220 mL) para motor 5 (250 mg, 50%) como un sólido rojo.
3. Síntesis de motor 6
   Nota: Cuando se forma el enlace doble central, reemplace el grupo de iodo por una molécula de acetileno.
   1. En un tubo Schlenk de 20 mL, agregar 3 (165 mg, 0,26 mmol), Pd (PPh₃)₂Cl₂ (2,5% de mole), CuI (5 mol %). Luego, añade THF (10 mL) y (-Pr)₂NH (2 mL) que debe burbujear con argón durante 10 minutos antes.
   2. Revolver la mezcla a temperatura ambiente durante 10 minutos. Luego, añada triisopropylsilyl acetileno (42 mg, 0.27 mmol).
   3. Removemos la mezcla durante 15 horas, luego Vierta en un acuoso saturado NH₄Cl solución (25 mL).
   4. Extracto de la mezcla con CH₂Cl₂ (3 x 20 mL). Además lavar las capas orgánicas combinadas con salmuera saturada y seca (Na₂SO₄).
   5. Eliminar el disolvente y purificar los residuos por cromatografía flash: SiO₂ (12 g), eluyente: pentano: CH₂Cl₂ = 10:1 (220 mL) para producir 8 como aceite marrón (171 mg, 99%).
4. Síntesis de motor 8
   Nota: Esta reacción se lleva a cabo bajo argón.
   1. Añada una mezcla de 6 (161 mg, 0.24 mmol), pinacol ester 7 (240 mg, 0.71 mmol), K₃PO₄ (300 mg, 1,44 mmol) y Pd (PPh₃)₄ (98 mg, 0.096 mmol) 1, 4dioxane (20 mL) a 90 ° C en un tubo Schlenk para 16 de 50 mL h.
   2. Enfriar la mezcla para RT, diluir con acetato de etilo (30 mL) y realizar la filtración con un filtro de vidrio.
   3. Eliminar el disolvente. Purificar los residuos mediante cromatografía de columna flash: SiO₂ (12 g), eluyente: pentano: CH₂Cl₂= 1:6 (total = 122 mL) para producir el éster 8 como aceite marrón (156 mg, 56%).
5. Síntesis de motor 9
   1. Añadir TBAF (0,1 mL) a una solución de 8 (120 mg, 0.13 mmol) en THF (10 mL) de 20 mL tubo Schlenk a 0 ° C.
   2. Revolver la mezcla a 0 ° C por 1 h, luego Vierta en un acuoso saturado NH₄Cl solución (20 mL).
   3. Después de la extracción con CHCl₃ (3 x 10 mL), lavar las capas orgánicas combinadas con salmuera saturada y seca (Na₂SO₄).
   4. Eliminar el disolvente y purificar los residuos por cromatografía flash: SiO₂ (12 g), eluyente: acetato de etilo: pentano = 1:3 (124 mL) para producir 9 como un aceite de color rojo oscuro (116 mg, 95%).
6. Síntesis de motor 12
   Nota: Esta reacción se lleva a cabo bajo argón.
   1. Añadir a una 20 mL tubo Schlenk, motor 9 (75 mg, 0.10 mmol), PBI 11 (68 mg, 0.10 mmol) Pd (PPh₃)₂Cl₂ (2,5% mol), CuI (5 mol %). Luego, añade THF (10 mL) y (-Pr)₂NH (2 mL) que debe burbujear con argón durante 10 minutos antes.
   2. Removemos la mezcla durante la noche y viértalo en un acuoso saturado NH₄Cl solución.
   3. Después de la extracción con CHCl₃ (3 x 20 mL), lavar las capas orgánicas combinadas con salmuera saturada y seca (Na₂SO₄).
   4. Eliminar el disolvente y purificar los residuos por cromatografía flash: SiO₂ (12 g), eluyente: CHCl₃ (100 mL) para motor 12 como un sólido rojo oscuro (66 mg, 57%).
7. Síntesis de motor 1b
   Nota: Cuando se obtiene el compuesto éster, hidrolizar para hacer la molécula objetivo final.
   1. Ester 12 (90 mg, 0.038 mmol) en THF (5 mL), MeOH (5 mL) y NaOH_(AQ.) (1 M, 5 mL) se disuelven en un matraz de 50 mL y calentar la mezcla a 75 ° C por 16 h.
   2. Enfriar la mezcla para RT y añadir 5 mL de agua. Quite el THF y el MeOH evaporación rotatoria.
   3. Valorar la mezcla con HCl_(AQ.) (1 M) hasta llegar a un pH de 1 para formar un precipitado marrón. Filtrar la mezcla y lavar el sólido marrón con agua fría (10 mL) y secado en vacío. Este sólido marrón es el de la molécula objetivo 1b (55 mg, 85%).

2. preparación de motor funcionalizados monocapa MS-1b

1. Limpiar el portaobjetos de cuarzo por inmersión en una solución de piraña (3:7 relación 30% H₂O₂ H₂SO₄) 90 ° c por 1 h. Enjuague copiosamente con agua bidestilada 3 x, luego enjuague con MeOH. Seque el portaobjetos en una secuencia de N₂ antes de modificación superficial.
2. Silanize el cuarzo Piraña-limpiar las diapositivas por inmersión en una solución 1 mM de 3-aminopropil (diethoxy) metilsilano en tolueno recién destilada a temperatura ambiente de 12 h. Enjuague copiosamente con tolueno y MeOH.
3. Someter a ultrasonidos el cuarzo primero en tolueno, luego en MeOH y secarlos con un chorro de argón.
4. Sumerja los portaobjetos recubiertos con aminas en solución DMF de 1b (10^-4 M) a temperatura ambiente durante 12 horas.
5. Lavar los portaobjetos con MeOH, DMF y agua, luego seque con un chorro de argón. Después del secado, las diapositivas están listas para su uso.

Resultados

Irradiación del motor molecular se realiza con luz UV (λ_max = 365 nm). Sobre la irradiación, se produce una isomerización E Z foto-inducida por el enlace doble central. Durante este proceso, la molécula se transforma de un estable a un isómero inestable. Un paso de inversión de helix termal activados a continuación para liberar la tensión de la molécula entera. Esto resulta en el estado estable original. ¹ Espectroscopia de RMN de H entonces se utiliza para evaluar el proceso rotatorio (figura 4a). Se prepara una solución de la muestra en un tubo NMR, entonces una lámpara de luz UV (λ_max = 365 nm) está situado al lado del tubo. Después de 2 h de la irradiación, pueden encontrarse distintos cambios en el espectro de ¹H NMR. Estos cambios indican la generación de un nuevo isómero que se considera inestable-1b (Figura 4b). Se ve en la espectroscopia de ¹H NMR que H_un cambia de 2,9 ppm (doblete) a 3,3 ppm (doble doblete). La señal a 1,4 ppm puede ser asignada como la absorción del grupo metilo y downfield cambia de puesto de 1,4 ppm y 1,6 ppm. Cuando la muestra se mantiene durante la noche a temperatura ambiente en la oscuridad, el espectro original puede ser recuperado (figura 4a). Indica el proceso de la inversión térmica helix que se convierte inestable-1b en estable-1b.

Para estudiar el movimiento de rotación del motor 1b en las superficies, los montajes de motor conectado a superficie MS-1b (MS = motor en las superficies) se preparan. Los portaobjetos de cuarzo primero son funcionalizados con amina. Después de este paso, el cuarzo se encuentra inmerso en una solución DMF (10^-4 M) de 1b a temperatura ambiente durante la noche. El cuarzo resultante, se enjuaga con MeOH, DMF y agua. Los portaobjetos de cuarzo preparado entonces se envían para estudios de UV/vis. En la figura 5bse muestra un espectro de absorción UV/vis de MS-1b (línea sólida). Como se ve en el espectro, la banda de absorción importante y el perfil de absorción son similares a la observada en la solución (figura 5a). También muestra las absorciones características de motor (420 nm) y PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Estos picos sugieren el exitoso acoplamiento de motor 1b a las superficies recubiertas de Amina. Además, el portaobjetos de cuarzo es irradiado durante 15 min y se observaron cambios espectrales similares a la de la solución, indicando que la generación de la MS-1b inestable.

Figura 1 : Esquema sintético a la preparación de blanco molécula 1b. El esquema muestra los reactivos, solventes y condiciones de reacción que se utilizan en cada paso.

Figura 2 : (a) Ilustración esquemática de la estructura de F₀F₁-ATPasa injertada sobre una superficie para la visualización de la rotación unidireccional (reproducido con permiso de¹²). motor molecular basada en la luz (b) Diseño Conceptual de un límite de superficie sintético para la proyección de imagen de molécula única.

Figura 3 : Estructura de una determinada superficie 1b motor molecular, teniendo un brazo largo rígido entre la base del motor y la etiqueta de la PBI. 

Figura 4 : Región alifático de la ¹ Espectros de H-NMR de motor 1b (CD₂Cl₂, -20 ° C, c = 10^-3 M) (a) estable-1b, antes de la irradiación (365 nm). (b) estado estacionario foto mezcla después de la irradiación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5 : Espectros de absorción UV/vis. Espectros de absorción UV/vis de (un) motor 1b (CH₂Cl₂, 0 ° C), estable isómero (línea sólida) y el isómero inestable (línea discontinua) en PSS. (b) MS-1b (cuarzo, 4 ° C) antes de (línea sólida) y después de la irradiación (línea discontinua).

Discusión

Este proyecto consiste en una cantidad significativa de trabajo sintético; por lo tanto, el paso más crítico es síntesis orgánica hacia la molécula final. Entre la síntesis total, la reacción de Barton-Kellogg es el paso clave, ya que es la reacción en la cual se forma el enlace doble central del motor molecular. Actualmente, varios métodos se han utilizado para formar estos tipos de estructuras. Aquí, se utiliza acoplamiento diazo-thioketone, y las mitades superiores e inferior se han preparado como los compuestos diazo y thioketone, respectivamente. Thioketone y diazo compuestos generalmente no son estables en el aire; por lo tanto, la reacción requiere rápido operando bajo un ambiente estrictamente inerte.

Métodos existentes para limitar motores moleculares en las superficies en su mayoría se basan en sistemas bipodal. Sin embargo, los procesos de isomerización de motores bipodal previamente diseñados se obstruyen debido a las interacciones intermoleculares. Además, algunos de los ejemplos bipodal requiere más activación antes de la fijación. El método actual logra esto de una manera tetrapodal, que proporciona sólida fijación del motor sobre superficies con suficiente espacio aislado.

Una limitación de este método es la elección de la etiqueta fluorescente. Se admiten sólo tintes con longitudes de onda específicas, como la rotación del motor se activa por la longitud de onda de 365 nm y por lo tanto no debe ser comprometida. Además, la ruta sintética empleada en el protocolo descrito para la molécula objetivo requiere varios pasos en el que las duras condiciones se necesitan para la terminación de la reacción. En el futuro, un diseño sintético más fácil probablemente es necesaria si se requiere una molécula más avanzada para la proyección de imagen molecular solo.

En conclusión, el diseño y síntesis de un motor molecular basada en la luz altamente funcionalizado se describe por primera vez. Algunos detalles del esfuerzo sintético también se discuten. Además, métodos de injertar el motor sobre una superficie de portaobjetos de cuarzo se demuestran, y la muestra puede ser más probada para la visualización del movimiento molecular solo¹⁴.

Materiales

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