מונחי-אור המנועים המולקולריים על משטחים עבור יחיד הדמיה מולקולרית

Summary

כתב היד מתאר כיצד לסנתז ו להשתיל מנוע מולקולרי על משטחים עבור יחיד הדמיה מולקולרית.

Abstract

סינתזה של מערכת סינתטי אשר שואפת פריט חזותי ישיר סינתטי מנוע רוטרי ברמת מולקולה בודדת על משטחים ועיצוב מודגמות. עבודה זו דורשת תכנון זהיר, ניכר מאמץ סינתטי, ניתוח נכון. תנועת רוטרי מנוע מולקולרי בפתרון מוצג על ידי ¹H NMR וטכניקות ספקטרוסקופיית בליעה UV-vis. בנוסף, מתוארת השיטה כדי להשתיל את המנוע על גבי קוורץ מצופים אמין. שיטה זו מסייעת לרכוש תובנה נוספת למכונות המולקולריות.

Introduction

אורגניזמים חיים, ישנם שפע המנועים המולקולריים תפקוד כדי לקיים את חיי היומיום. הם מסוגלים לבצע משימות שונות כגון ייצור דלק, תחבורה, ניידות, ועוד¹. ציור של ההשראה של דוגמאות אלה מרתק בטבע, מדענים פיתחו סדרת המנועים המולקולריים מלאכותית במשך העשורים האחרונים כדי להמיר סוגים שונים של אנרגיה בתנועה מבוקרת ב ברמה מולקולרית^{2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10}. פרס נובל לכימיה בשנת 2016 הוענק שלושה חלוצים בתחום זה. בן Feringa, אחד של זוכי הפרס לשנת, פיתחה המנוע מולקולרית מונחה אור כי הוא מסוגל לעבור רציפה לאופקית חד כיווני.

עם זאת, ברמה המולקולרית, תנועה בראונית, הידוע גם בשם התנועה אקראית עקב התנגשויות מולקולרית וויברציות, בדרך כלל המכשול יישום נוסף של המנועים המולקולריים האלה. תנועה בראונית יכול לשבש את. כל תנועה מכוונת. כך שמניחים את המנועים המולקולריים על משטחים עשויים להיות אחת האפשרויות כדי להתגבר על בעיה זו. בעשותם כך, הרוטציה היחסי של חלק אחד של המולקולה ביחס האחר מומר הרוטציה מוחלטת של הרוטור יחסית פני¹¹. בנוסף, השימוש בטכניקה הדמיה מולקולרית יחיד יכול לעזור להמחיש את התנועה. לכן, התוצאות המתקבלות על-ידי עבודה זו תסייע להשיג תובנה רבה יותר מנוע מולקולרי סינתטי.

חלוצי עבודות של יושידה, Kinosita (איור 2 א)^12,13 שימש ההשראה לעיצוב בשנת העבודה הנוכחית, המוצגת באיור 2b. החצי התחתון של מנוע מולקולרי מונחה אור מצורף משטח כדי לשמש בפיתולי גלגל מכון. החלק רוטור functionalized עם זרוע נוקשה, תווית פלורסנט. כשמחילים שני אורכי הגל הקרנה שונות למערכת, אחד יפעילו את הסיבוב של המנוע, בעוד השני יעוררו את תגית פלורסנט. בעקרון, תנועת רוטרי החלק הרוטור מפעיל את הסיבוב של קבוצת פלורסנט. לכן, הסיבוב של התג פלורסנט יכולה להיות מלווה מיקרוסקופ פלורסצנטיות שדה רחב defocused. שיטה זו מספקת, בפעם הראשונה, שיטה להמרת הרוטציה היחסי של מנוע מולקולרי סיבוב מוחלטת, ולכן דרך להמחיש את הסיבוב של מנוע סינתטי.

מאמר זה מספק פרטים על עיצוב, סינתזה הכוללת, פתרון isomerization מחקרים של מנוע מולקולרי המשמש עבור יחיד הדמיה מולקולרית. המבנה המולקולרי מוצג באיור3. בנוסף, מתוארת השיטה כדי לצרף המנועים המולקולריים במשטח קוורץ.

Protocol

הערה: סינתזה אורגנית היא הגרעין העיקרי של פרויקט זה. איור 1 מציג את השלבים החשובים ועל הדרך לקבל את המולקולה היעד.

1. הכנת 1b

הערה: ממיסים נרכשו בכיתה אנליטית.

1. סינתזה של קטון (3)
   הערה: בשלב הראשון קטון טבעת חמש-חבר 2 עם קבוצה iodo הוא functionalized כי זה יותר תגובתי. התגובה הזו מבוצעת תחת ארגון אווירה.
   1. בשפופרת אטום (100 מ"ל) המכיל 2 (640 מ ג, 2.3 mmol), קואי (219 mg, 1.1 mmol) ולאחר נאי (3.44 g, 23 mmol), הוסף 1, 4-dioxane (50 מ"ל) ו- N, N'-דימתיל ethylenediamine (202 מ ג, 2.3 mmol).
   2. הגדר את טמפרטורת התגובה עד 140 ° C ומערבבים במשך 24 שעות ביממה.
   3. מגניב את התערובת לטמפרטורת החדר (RT) להסיר הממס, vacuo, לטהר את החומרים הנותרים על ידי גזים פלאש: SiO₂ (40 גרם); eluent: פנטאן: EtOAc = 10:1 (סה כ = 550 מ ל). המוצר צריכה להתקבל כשמן צהוב, דביק (מ ג 642, 91%).
2. סינתזה של מנוע 5
   הערה: השתמש התגובה ברטון-קלוג להקים מרכזי הקשר הכפול. התגובה הזו מבוצעת תחת ארגון.
   1. בקבוקון סיבוב המדרגה 50 מ ל, הוסף ריאגנט (415 מ ג, 1.1 mmol) של Lawesson, קטון 3 (219 mg, 0.68 mmol) ו טולואן (10 מ"ל).
   2. מחממים את התערובת על ריפלוקס כבר שעתיים, לאחר מכן להתאדות הממס.
   3. לטהר את השאריות לפי עמודה פלאש: SiO₂ (24 גרם), eluent: פנטאן: אתיל אצטט = שכן (סה כ = 155 מ ל) כדי להשיג את thioketone המתאים, אשר לאחר מכן היא redissolved ב- 20 מ של THF להניב פתרון כחול.
   4. להוסיף פתרון THF (20 מ ל) של diazo במתחם 4 (476 מ"ג, 1.37 mmol) הפתרון כחול, ומערבבים הפתרון החדש מעורבים ב 50 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
      הערה: זה השלב המכריע ביותר של הסינתזה כולו. הפתרון המתחם, thioketone diazo חייב להיות טרי, צריך להיעשות לפני התגובה.
   5. להתאדות הממס ולטהר את השאריות על ידי גזים: SiO₂ (24 גרם), eluent: פנטאן: CH₂Cl₂ = 10:1 (סה כ = 220 מ ל) להניב מנוע 5 (250 מ"ג, 50%) כמו מוצק אדום.
3. סינתזה של מנוע 6
   הערה: כאשר נוצר הקשר הכפול במרכז, להחליף את הקבוצה iodo על ידי moiety אצטילן.
   1. 20 מ ל schlenk ב שפופרת, להוסיף 3 (165 מ ג, 0.26 mmol), Pd (PPh₃)₂Cl₂ (2.5% השומה), קואי (שומה 5%). לאחר מכן, הוסף THF (10 מ"ל) ו- (אני-Pr)₂NH (2 מ"ל) זה צריך להיות מבעבע עם ארגון 10 דקות לפני.
   2. מערבבים את התערובת ב RT למשך 10 דקות. לאחר מכן, הוסף אצטילן triisopropylsilyl (42 מ"ג, 0.27 mmol).
   3. מערבבים את התערובת עבור 15 h ולאחר מכן ותשפכי לתוך מימית רווי NH₄פתרון קלרנית (25 מ ל).
   4. לחלץ את התערובת עם CH₂Cl₂ (3 x 20 מ"ל). בהמשך לשטוף את הרבדים אורגני בשילוב עם מלח רוויה ויבש (נה₂אז₄).
   5. להסיר את הממס ולטהר את השאריות מאת כרומטוגרפיה פלאש: SiO₂ (12 גרם), eluent: פנטאן: CH₂Cl₂ = 10:1 (220 מ"ל) להניב תשואה 8 כשמן חום (171 מ"ג, 99%).
4. סינתזה של מנוע 8
   הערה: התגובה הזו מבוצעת תחת ארגון.
   1. מוסיפים את תערובת של 6 (161 מ ג, 0.24 mmol), pinacol אסתר 7 (240 מ"ג, 0.71 mmol), K₃פו₄ (300 מ ג, 1.44 mmol) ו- Pd (PPh₃)₄ (98 mg, 0.096 mmol) 1, 4dioxane (20 מ ל) ב 90 ° C ב- 50 מ ל צינור schlenk ב 16 h.
   2. מגניב את התערובת RT, לדלל את זה עם אתיל אצטט (30 מ ל), ולבצע הסינון עם מסנן זכוכית.
   3. הסר את הממס. לטהר את השאריות על ידי גזים עמודה פלאש: SiO₂ (12 גרם), eluent: פנטאן: CH₂Cl₂= 1:6 (סה כ = 122 מ ל) להניב אסתר 8 כשמן חום (156 mg, 56%).
5. סינתזה של מנוע 9
   1. להוסיף TBAF (0.1 מ"ל) פתרון של 8 (120 mg, 0.13 mmol) שבשנות ה (10 מ"ל) ב- 20 מ ל צינור schlenk ב- 0 מעלות צלזיוס.
   2. מערבבים את התערובת ב-0 מעלות צלזיוס עבור 1 h ולאחר מכן ותשפכי לתוך מימית רווי NH₄פתרון קלרנית (20 מ ל).
   3. לאחר החילוץ עם CHCl₃ (3 x 10 מ"ל), לשטוף את הרבדים אורגני בשילוב עם מלח רוויה ויבש (נה₂אז₄).
   4. להסיר את הממס ולטהר את השאריות מאת כרומטוגרפיה פלאש: SiO₂ (12 גרם), eluent: פנטאן: אתיל אצטט = 1:3 (124 מ"ל) להניב תשואה 9 כשמן אדום כהה (מ ג 116, 95%).
6. סינתזה של מנוע 12
   הערה: התגובה הזו מבוצעת תחת ארגון.
   1. 20 מ ל schlenk ב שפופרת, להוסיף מנוע 9 (75 מ"ג, 0.10 mmol), מפ ל 11 (68 מ ג, 0.10 mmol) Pd (PPh₃)₂Cl₂ (2.5% מול), קואי (מול 5%). לאחר מכן, הוסף THF (10 מ"ל) ו- (אני-Pr)₂NH (2 מ"ל) זה צריך להיות מבעבע עם ארגון 10 דקות לפני.
   2. מערבבים התערובת למשך הלילה, ותשפכי לתוך מימית רווי NH-₄פתרון Cl.
   3. לאחר החילוץ עם CHCl₃ (3 x 20 מ ל), לשטוף את הרבדים אורגני בשילוב עם מלח רוויה ויבש (נה₂אז₄).
   4. להסיר את הממס ולטהר את השאריות מאת כרומטוגרפיה פלאש: SiO₂ (12 גרם), eluent: CHCl₃ (100 מ"ל) להניב מנוע 12 מוצק אדום כהה (מ ג 66, 57%).
7. סינתזה של מנוע 1b
   הערה: כאשר המתחם אסתר מתקבל, hydrolyze אותה כדי להפוך מולקולת המטרה הסופית.
   1. להמיס את אסתר 12 (90 מ"ג, 0.038 mmol) THF (5 מ"ל), MeOH (5 מ"ל) ו NaOH_(aq.) (1 מ', 5 מ"ל) בבקבוקון 50 מ ל, מחממים את התערובת עד 75 ° C עבור 16 h.
   2. מגניב את התערובת RT ולהוסיף 5 מ ל מים. הסר את THF ואת MeOH על ידי אידוי רוטרי.
   3. Titrate את התערובת עם HCl_(aq.) (1 מ') עד שהגיע pH של 1 כדי ליצור את המשקע החום. Filtrate את התערובת תשטוף בבית מוצק חום עם מים קרים (10 מ"ל), יבש, vacuo. זה מוצק חום הוא מולקולה היעד 1b (55 מ"ג, 85%).

2. הכנת מנוע functionalized טפט MS-1b

1. לנקות קוורץ השקופיות על-ידי אנו ממליצים להם פתרון פיראניה (3:7 יחס של 30% H₂O₂ H₂אז₄) ב 90 ° C עבור 1 ח שטיפה בכיף עם מים מזוקקים כפליים 3 x, לאחר מכן יש לשטוף עם MeOH. יבש את השקופיות תחת זרם של N₂ לפני שינוי פני השטח.
2. Silanize קוורץ ניקיתי פיראניה שקופיות במועט בפתרון 1 מ"מ של methylsilane 3-aminopropyl (diethoxy) בטולואן טרי מזוקקים-RT עבור 12 ח שטיפה בכיף עם טולואן, MeOH.
3. Sonicate של הקוורץ קודם טולואן ולאחר מכן ב- MeOH, לייבש אותם תחת זרם של ארגון.
4. לטבול את השקופיות מצופים amine בפתרון DMF 1b (10^-4 מ')-RT במשך 12 שעות.
5. לשטוף את השקופיות עם DMF, מים MeOH, ואז לייבש אותם תחת זרם של ארגון. לאחר הייבוש, השקופיות מוכנים לשימוש.

תוצאות

הקרנה של המנוע מולקולרית מתבצע באמצעות אור UV (λ_{מקסימום} = 365 ננומטר). על הקרנה, צילום-induced isomerization E-Z , סביב הקשר הכפול המרכזית מתרחשת. במהלך תהליך זה, מולקולת כשהופכים מ יציבה איזומר לא יציב. צעד היפוך סליל תרמית מופעל עוקב אחר ואז לשחרר את המתח של המולקולה כל. התוצאה המצב יציב המקורי. ¹ ספקטרוסקופיה H NMR הוא מועסק ואז להעריך את תהליך סיבוביים (איור 4a). פתרון של המדגם הינו מוכן עם צינור NMR, ואז מנורת UV-אור (λ_{מקסימום} = 365 ננומטר) ממוקם ליד הצינור. לאחר שעתיים של הקרנה, שינויים ברורים ניתן למצוא את ספקטרום H NMR ¹. שינויים אלה מציינים את הדור של איזומר חדש זה נחשב לא יציב-1b (איור 4b). זה נראה ב ספקטרוסקופיה H NMR ¹כי H משמרות מ 2.9 דפים לדקה (כפיל) 3.3 עמודים לדקה (כפיל כפול). ניתן להקצות את האות ב 1.4 ppm קליטתם של קבוצת מתיל, אותו לקצה המגרש עובר מ 1.4 ppm 1.6 עמודים לדקה. כאשר הדגימה נשמרת למשך הלילה בטמפרטורת החדר בחושך, הקשת המקורית יכול להיות התאושש (איור 4a). זה מצביע על תהליך היפוך סליל תרמי באריחי לא יציב-1b יציבה-1b.

על מנת ללמוד את תנועת רוטרי מנוע 1b על משטחים, MS-1b צמוד-משטח ההרכבות מוטוריים (MS = מנוע על משטחים) מוכנים. השקופיות קוורץ הם functionalized קודם עם אמין. לאחר שלב זה, המינרל הוא שקוע פתרון DMF (10^-4 מ') של 1b-RT בן לילה. המינרל הנובעת שוטפים עם DMF, מים MeOH. השקופיות קוורץ מוכן מוגשים לאחר מכן ללימודי UV/vis. קשת הקליטה UV/מול של MS-1b (קו רציף) מוצג באיור 5b. כפי שניתן לראות בספקטרום, מרכזי הקליטה הלהקה הקליטה פרופיל ונוחות דומה לזה שנצפה בתמיסה (איור 5a). הוא גם מראה את absorptions אופיינית עבור מנוע (420 ננומטר) ו מפ ל (456 nm, 490 nm, 524 ננומטר). בפסגות אלה מראים החזקה מוצלחת של מנוע 1b למשטחים מצופים אמין. בנוסף, השקופית קוורץ הוא מוקרן למשך 15 דקות ולאחר ספקטרלי השינויים שנצפו דומה לזה של הפתרון, המציינת דור MS-1b לא יציב.

איור 1 : ערכת סינתטי לקראת הכנת 1b מולקולה היעד. התכנית מציגה את ריאגנטים, ממיסים, תנאי ריאקציה המשמשים בכל שלב.

איור 2 : () איור סכמטי של מבנה F₀F₁-ATPase הושתל על משטח עבור ויזואליזציה של סיבוב חד כיווני (לשכפל עם הרשאה¹²). (b) העיצוב הרעיוני של מאוגד-משטח סינתטי מונחה אור מנוע מולקולרי עבור הדמיה מולקולה בודדת.

איור 3 : מבנה השטח מכורך מולקולרית מנוע 1b, הנושאת זרוע ארוכה נוקשה בין מנוע הליבה לבין התווית מפ ל. 

איור 4 : אזור אליפטיות ¹ H-NMR ספקטרום של מנוע 1b (CD₂Cl₂,-20 ° C, c = 10^-3 מ') יציבה-1b (), לפני הקרנה (365 ננומטר). תערובת (b) צילום מצב נייח לאחר הקרנה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 5 : ספקטרום בליעה UV/vis. UV/vis ספקטרום הקליטה של 1b מוטוריים () (CH₂Cl₂, 0 ° C), יציב איזומר (קו רציף), איזומר לא יציב (קו מקווקו)-PSS. (b) MS-1b (קוורץ, 4 ° C) לפני (קו רציף) ואחרי (קו מקווקו) הקרנה.

Discussion

פרויקט זה עוסק כמות משמעותית של עבודת סינתטי; לכן, השלב הקריטי ביותר הוא סינתזה אורגנית לקראת המולקולה הסופי. בין הסינתזה הכולל, התגובה ברטון-קלוג היא השלב מפתח, כיוון שזוהי תגובה שבה נוצר הקשר הכפול המרכזי של המנוע מולקולרית. כיום, מספר שיטות השתמשו כדי ליצור סוגים אלה של מבנים. . הנה, צימוד diazo-thioketone משמש, החצאים העליון והתחתון הוכנו כ תרכובות diazo, thioketone, בהתאמה. Thioketone ותרכובות diazo אינם בדרך כלל יציבים תחת אוויר; לכן, התגובה מחייבת הפעלה מהירה תחת אווירה אינרטי לחלוטין.

שיטות קיימות להגבלת המנועים המולקולריים על המשטחים מבוססות בעיקר על מערכות bipodal. עם זאת, תהליכי isomerization מוטורס bipodal מעוצב בעבר היו נחסמת בשל האינטראקציות הבין-מולקולרי. בנוסף, כמה דוגמאות bipodal דורש הפעלה לפני המצורף. השיטה הנוכחית משיגה זאת בצורה tetrapodal, אשר מספק קובץ מצורף חזקים של המנוע על משטחים עם די מקום מבודד.

מגבלה של שיטה זו הוא הבחירה של תגית פלורסנט. רק צובעת עם אורכי גל ספציפי מותר, הסיבוב של מנוע המופעלת על ידי אורך הגל nm 365, ובכך לא חופף. בנוסף, תוואי סינתטי המועסקים הפרוטוקול המתואר לכיוון מולקולת המטרה דורש מספר שלבים שבו בתנאים קשים יש צורך השלמה של התגובה. בעתיד, בעיצוב סינתטי נתיישב יותר כנראה צורך אם מולקולה מתקדם יותר עבור הדמיה מולקולרית יחיד נדרשת.

לסיכום, סינתזה של מנוע מאוד functionalized מולקולרית מונחה אור ועיצוב מתוארת בפעם הראשונה. כמה פרטים של מאמץ סינתטי הנזכרים, גם כן. יתר על כן, שיטות כדי להשתיל את המנוע על גבי משטח קוורץ שקופית מודגמות, הדגימה יכול להיבדק עוד יותר על ויזואליזציה של תנועה מולקולרית יחיד¹⁴.

Materials

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