빛 주도 분자 모터 표면에 단일 분자 이미징

요약

원고를 합성 하 고 단일 분자 이미징에 대 한 표면에 분자 모터를 이식 하는 방법을 설명 합니다.

초록

설계 및 표면에 단일 분자 수준에서 합성 회전 모터의 직접적인 시각화를 위한 목표로 합성 시스템의 합성은 설명 했다. 이 작품에는 주의 깊은 디자인, 상당한 합성, 노력과 적절 한 분석 필요합니다. 솔루션에는 분자 모터의 회전 하는 동의 ¹H NMR과 대 한 UV 흡수 분광학 기법에 의해 표시 됩니다. 또한, 아민 입히는 석 영에 모터를 이식 하는 방법을 설명 합니다. 이 방법은 분자 기계에 더 많은 통찰력을 얻을 수 있습니다.

서문

살아있는 유기 체에서 일상 생활을 유지 하기 위해 작동 하는 풍부한 분자 모터 있다. 그들은 연료 생산, 전송, 이동성,¹등 다양 한 작업을 수행할 수 있습니다. 자연에서 이러한 매혹적인 예의 영감에서 그리기, 과학자² 분자 레벨 제어 동의로 에너지의 다른 종류를 변환 하는 지난 몇 년간 인공 분자 모터의 일련을 개발 했습니다. ^{, 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10}. 2016 년에 화학에 있는 노벨상 3 개척자이 분야에서 수 여 되었다. 벤 Feringa, 수 상자, 중 지속적인 단방향 회전 하는 동의 받을 수 있는 빛 기반 분자 모터를 개발 했다.

그러나, 분자 수준에 브라운 움직임, 분자 충돌 및 진동로 알려진 또한 임의 모션은 일반적으로 이러한 분자 모터의 추가 응용 프로그램에 대 한 주요 장애물. 브라운 모션 어떤 감독된 동작을 방해할 수 있습니다. 표면에 분자 모터를 수감 하는 것은이 문제를 극복 하기 위해 옵션 중 하나 있을 수 있습니다. 이렇게 함으로써, 다른에 관하여 분자의 한 부분의 상대 회전 표면¹¹상대적인 회전자의 절대 회전으로 변환 됩니다. 또한, 단일 분자 이미징 기술 사용 하 여 움직임을 시각화 도움이 됩니다. 따라서,이 작품에 의해 얻은 결과 합성 분자 모터에 더 많은 통찰력을 얻을 데 도움이 됩니다.

요시다와 Kinosita (그림 2a)의 작품을 개척^12,13 디자인 그림 2b에서 현재 작업에 대 한 영감으로 역임 했다. 빛 주도 분자 모터의 아래쪽 고정자로 표면에 첨부 됩니다. 로 터 부분 이다 공업화 경직 된 팔 및 형광 라벨. 시스템에 두 개의 서로 다른 방사선 파장을 적용할 때 다른 형광 태그 자극 것입니다 하는 동안 하나는 모터의 회전 하 게 됩니다. 원칙적으로로 터 파트의 회전 하는 동의 형광 그룹의 회전을 트리거합니다. 따라서, 형광 태그의 회전 defocused 넓은 필드 형광 현미경 검사 법에 의해 다음 있습니다. 이 메서드를 제공 합니다, 처음으로 절대 회전 및 따라서 합성 모터의 회전을 시각화 하는 방법으로는 분자 모터의 상대 회전 변환 하는 방법을.

이 문서에서는 세부 설계, 총 합성, 그리고 솔루션에 단일 분자 이미징에 사용 되는 분자 모터의 isomerization 연구 합니다. 분자 구조는 그림 3에 표시 됩니다. 또한, 석 영 표면에 분자 모터를 연결할 방법을 설명 합니다.

프로토콜

참고: 유기 합성이이 프로젝트의 주요 핵심입니다. 그림 1 주요 단계와 대상 분자를 얻을 하는 방법을 보여 줍니다.

1입니다. 1b의 준비

참고: 용 매 분석 학년에서 구매 되었다.

1. 케 톤 (3)의 합성
   참고: 처음에, 5-회원 링 케 톤 2 요오드 그룹은 기능성 그것이 더 반응 하기 때문에. 이 반응은 아르곤 분위기에서 수행 됩니다.
   1. 밀봉 된 튜브 (100 mL) 2 (640 m g, 2.3 mmol)을 포함, CuI (219 mg, 1.1 mmol), 및 NaI (3.44 g, 23 mmol), 추가 1, 4-dioxane (50 mL)와 N, N'-디 메 틸 ethylenediamine (202 m g, 2.3 mmol).
   2. 140 ° C에 반응 온도 설정 하 고 24 시간 동안 저 어.
   3. 실내 온도 (RT) 혼합물을 냉각 vacuo, 용 매를 제거 하 고 플래시 크로마토그래피에 의해 나머지 재료를 정화: SiO₂ (40 g); eluent: pentane: EtOAc = 10:1 (총 550 mL =). 제품 노란색, 끈적끈적한 기름 (642 mg, 91%)으로 얻을 수 해야 합니다.
2. 모터 5의 합성
   참고: 바튼 켈로그 반응을 사용 하 여 중앙 이중 결합을 형성. 이 반응은 아르곤 수행 됩니다.
   1. 50 mL 둥근 바닥 플라스 크에 Lawesson의 시 약 (415 mg, 1.1 mmol), 케 톤 3 (219 mg, 0.68 mmol)과 톨루엔 (10 mL)를 추가 합니다.
   2. 2 시간에 대 한 환류에 혼합물을가 열 하 고 그 후 용 매를 증발.
   3. 플래시 열 하 여 찌 꺼 기를 정화: SiO₂ (24 g), eluent: pentane: 에틸 아세테이트 = 30: 1 (총 155 mL =) 블루 솔루션을 THF의 20 ml에서 redissolved 이후에 해당 thioketone를.
   4. 블루 솔루션에 디 아조 화합물 4 (476 mg, 1.37 mmol)의 THF 솔루션 (20 mL)을 추가 하 고 밤새 50 ° C에서 새로 혼합된 솔루션을 저 어.
      참고:이 전체 합성의 가장 중요 한 단계입니다. 디 아조 화합물 및 thioketone 솔루션 신선 하며 반응 하기 전에 하 여야 한다.
   5. 용 매를 증발 하 고 착 색 인쇄기에 의해 찌 꺼 기를 정화: SiO₂ (24 g), eluent: pentane: 채널₂Cl₂ = 10:1 (총 220 mL =) 모터 5 (250 mg, 50%)를 로 빨간 고체.
3. 모터 6의 합성
   참고: 중앙 이중 결합을 형성 하는 경우 아세틸렌 moiety에 의해 요오드 그룹을 교체 합니다.
   1. 20 mL Schlenk 튜브, 추가 3 (165 mg, 0.26 mmol), Pd (PPh₃)₂Cl₂ (2.5 몰 %), CuI (5 몰 %). 다음, THF (10 mL) 추가 (나-홍보)₂뉴 햄프셔 (2 mL) 전에 10 분 동안 아르곤으로 부풀어 야 하는.
   2. 10 분에 대 한 실시간에 혼합물을 저 어. 그런 다음 triisopropylsilyl 아세틸렌 (42 밀리 그램, 0.27 mmol)을 추가 합니다.
   3. 대 한 혼합물을 저 어 다음는 수성 포화 NH₄Cl 솔루션 (25 mL)에 부 어.
   4. 채널₂Cl₂ (3 x 20 mL) 혼합물을 압축을 풉니다. 더 결합 된 유기 레이어 포화 소금물과 건조 세척 (나₂이렇게₄).
   5. 용 매를 제거 하 고 플래시 크로마토그래피에 의해 찌 꺼 기를 정화: SiO₂ (12 g), eluent: pentane: 채널₂Cl₂ = 10:1 (220 mL)를 갈색 기름 (171 mg, 99%)으로 8 .
4. 모터 8의 합성
   참고:이 반응 아르곤 수행 됩니다.
   1. 1, 4dioxane 6 (161 mg, 0.24 mmol), pinacol 에스테 르 7 (240 밀리 그램, 0.71 mmol), K₃포₄ (300 밀리 그램, 1.44 mmol)과 Pd (PPh₃)₄ (98 mg, 0.096 mmol)의 혼합물을 저 어 (20 mL) 50ml 16 Schlenk 튜브에에서 90 ° C에서 h입니다.
   2. Rt 혼합물을 냉각 하 고 에틸 아세테이트 (30 mL), 그것을 희석 유리 필터와 여과 수행.
   3. 용 매를 제거 합니다. 플래시 칼럼 크로마토그래피에 의해 찌 꺼 기를 정화: SiO₂ (12 g), eluent: pentane: 채널₂Cl₂= 1:6 (총 122 mL =) 에스테 르 8 갈색 기름 (156 mg, 56%)으로 항복.
5. 모터 9의 합성
   1. 솔루션에 추가 TBAF (0.1 mL) 8 (120mg, 0.13 mmol)의 THF (10 mL)에 0 ° c.에 Schlenk 튜브 20 ml
   2. 1 h, 0 ° C에서 혼합물을 저 어 다음는 수성 포화 NH₄Cl 솔루션 (20 mL)에 부 어.
   3. 결합 된 유기 레이어 포화 소금물과 건조 세척 추출 CHCl₃ (3 x 10 mL), 후 (나₂이렇게₄).
   4. 용 매를 제거 하 고 플래시 크로마토그래피에 의해 찌 꺼 기를 정화: SiO₂ (12 g), eluent: pentane: 에틸 아세테이트 = 1:3 (124 mL) 어두운 레드 오일 (116 mg, 95%)으로 9 를.
6. 모터 12의 합성
   참고:이 반응 아르곤 수행 됩니다.
   1. 20 mL Schlenk 튜브, 추가 모터 9 (75 mg, 0.10 m m o l), PBI 11 (68 mg, 0.10 mmol) Pd (PPh₃)₂Cl₂ (2.5 mol %), CuI (5 mol %). 다음, THF (10 mL) 추가 (나-홍보)₂뉴 햄프셔 (2 mL) 전에 10 분 동안 아르곤으로 부풀어 야 하는.
   2. 밤새 혼합물을 저 어 하 고는 수성 포화 NH₄Cl 솔루션에 붓는 다.
   3. CHCl₃ (3 x 20 mL) 추출, 후 씻어 건조 포화 소금물와 결합 된 유기 레이어 (나₂이렇게₄).
   4. 용 매를 제거 하 고 플래시 크로마토그래피에 의해 찌 꺼 기를 정화: SiO₂ (12 g), eluent: CHCl₃ (100 mL)를 자동차 12 어두운 빨강 단색으로 (66 mg, 57%).
7. 모터 1b의 합성
   참고: 에스테 르 화합물을 얻을 때 최종 대상 분자를 만들기 위해 그것은.
   1. 50 mL 플라스 크에 에스테 르 12 (90 mg, 0.038 mmol) THF (5 mL), MeOH (5 mL), 및 NaOH_(aq.) (1 M, 5 mL)에 녹이 고 16 h 75 ° C에 혼합물을가 열.
   2. Rt 혼합물을 냉각 하 고 물 5 mL를 추가 합니다. 로터리 증발에 의해 THF와 MeOH를 제거 합니다.
   3. 갈색 침전을 형성 하는 1의 pH에 도달할 때까지 HCl_(aq.) (1 개 M)를 가진 혼합물을 적정 하십시오. 혼합물을 여과 하 고 씻어 냉 수 (10 mL)와 함께 브라운 솔리드 vacuo에서 건조. 이 갈색 고체 대상 분자 1b (55 mg, 85%) 이다.

2. 모터의 준비 기능성 단층 MS-1b

1. 피 라 솔루션에 그들을 immersing 하 여 석 영 슬라이드 청소 (3:7 비율 30% H₂O₂ H₂의 등₄) 1 h. 린스 copiously 이중 증류수 3 x, 다음 린스 MeOH와 함께 90 ° C에서. 표면 개 질 하기 전에 스트림의 N₂ 슬라이드 건조.
2. Silanize 피 청소 석 영 톨루엔과 MeOH copiously 12 헤 린스에 대 한 실시간에 갓 증류수 톨루엔에 3-aminopropyl (diethoxy) methylsilane의 1 m m 솔루션에 immersing 하 여 슬라이드.
3. 톨루엔, 후 MeOH, 석 영을 먼저 sonicate 그리고 아르곤의 스트림 아래 그들을 건조.
4. 아민-코팅 슬라이드 1b (10^-4 M) RT에 12 h의 DMF 용액에 담가.
5. 씻어 DMF, 물, 및 MeOH, 슬라이드 다음 아르곤의 스트림 아래 그들을 건조. 건조 후, 슬라이드 사용 하기 위해 준비 되어 있다.

결과

분자 모터의 방사선 자외선과 수행 됩니다 (_최대 λ = 365 nm). 방사선 조사, 시 중앙 이중 결합 주위 사진 유도 된 E Z isomerization 발생합니다. 이 과정 동안, 분자는 불안정 한 이성질체를 안정에서 변환 됩니다. 열 활성화 된 나선 반전 단계 다음 전체 분자의 긴장을 풀어 다음과 같습니다. 그러면 원래의 안정 된 상태로 됩니다. ¹ H NMR 분광학 다음 회전 과정 (그림 4a)을 평가 하기 위해 채택 된다. 샘플의 솔루션은 NMR 튜브 다음 UV 빛의 램프에서 준비 (_최대 λ = 365 nm)는 관 옆에 위치. 방사선의 2 시간 후 ¹H NMR 스펙트럼에서 뚜렷한 변화를 찾을 수 있습니다. 이러한 변화는 불안정-1b (그림 4b)으로 간주 되는 새로운이 성체의 생성을 나타냅니다. 3.3 ppm (더블 더블 릿) 2.9 ppm (더블 릿)에서 교대 H는_는 ¹H NMR 분광학에서 볼 수 있다. 1.4 ppm에서 신호 메 틸 그룹의 흡수로 지정할 수 있으며 downfield 1.6 ppm 1.4 ppm에서 교대. 샘플 어둠 속에서 실 온에서 하룻밤 보관은, 원래 스펙트럼 수 있습니다 (그림 4a) 복구. 그것은 열 나선 반전 안정-1b 1b 불안정을 변환 하는 과정을 나타냅니다.

1b 모터의 회전 하는 동의에 공부 하기 위하여 표면, 표면 부착 모터 어셈블리 MS-1b (MS = 표면에 모터) 준비 된다. 석 영 슬라이드는 먼저 공업화와 아민. 이 단계 후 석 영은 몰두 RT에 1b의 DMF 솔루션 (10^-4 M)에서 하룻밤. 합성 석 영 MeOH와 DMF, 물, 씻어 서 이다. 준비 된 석 영 슬라이드 다음 UV/vis 연구에 대 한 제출 됩니다. MS-1b (실선)의 UV/vis 흡수 스펙트럼은 그림 5b에 표시 됩니다. 스펙트럼에서 본, 주요 흡수 밴드와 흡수 프로 파일은 솔루션 (그림 5a)에서 관찰 하는 비슷합니다. 그것은 또한 모터 특성 absorptions 보여줍니다 (420 nm) 및 PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). 이러한 봉우리 아민 코팅 표면에 모터 1b의 성공적인 첨부를 하시기 바랍니다. 또한, 석 영 슬라이드 15 분 반구 및 스펙트럼 변화 불안정 MS-1b의 세대를 나타내는 솔루션의 관찰 된다.

그림 1 : 대상 분자 1b의 준비로 합성 체계. 계획 시 약, 용 매, 및 반응 조건에 사용 되는 각 단계에 표시 됩니다.

그림 2 : (한) F₀F₁의 구조의 회로도 그림-ATPase 단방향 회전 (허가¹²재현)의 시각화를 위한 표면에 투입. (b) 합성 표면 바운드의 개념적 디자인 빛 기반 분자 모터 단일 분자 이미징에 대 한.

그림 3 : 모터 코어 및 PBI 레이블 사이 경직 된 긴 팔을 베어링 표면 바인딩된 분자 모터 1b의 구조. 

그림 4 : 의 지방 족 지역에서 ¹ 모터 1b의 H NMR 스펙트럼 (CD₂Cl₂,-20 ° C, c = 10^-3 M) 방사선 조사 전에 (한) 안정-1b (365 nm). 방사선 조사 후 (b) 사진 고정 상태 혼합물. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 5 : UV/vis 흡수 스펙트럼. (한) 모터 1b의 UV/vis 흡수 스펙트럼 (채널₂Cl₂, 0 ° C), 안정적인 이성질체 (실선) 및 PSS에 불안정 한 이성질체 (파선). (b) MS-1b (석 영, 4 ° C) (실선) 하기 전에 (파선) 방사선 조사 후.

토론

이 프로젝트 관련 상당한 양의 합성 작업; 따라서, 가장 중요 한 단계는 최종 분자 쪽으로 유기 합성 이다. 총 종합 중 바튼 켈로그 반응 분자 모터의 중앙 이중 결합은 형성 하는 반응 이므로 주요 단계입니다. 현재, 여러 가지 방법은 이러한 유형의 구조를 형성 하기 위하여 사용 되었습니다. 여기, 디 아조 thioketone 커플링 사용 되 고 각각 위와 더 낮은 반 디 아조와 thioketone 화합물으로 준비 되었습니다. Thioketone 및 디 아조 화합물은 일반적으로 불안정 아래; 따라서, 반응 해야 합니다 빠른 엄격 하 게 불활성 분위기에서.

기존 메서드 제한 표면에 분자 모터를 주로 bipodal 시스템 기반으로 합니다. 그러나, 이전에 디자인된 bipodal 모터의 isomerization 프로세스 intermolecular 상호 작용으로 인해 방해 했다. 또한, 일부 bipodal 예제 추가 첨부 파일 이전 활성화를 필요 합니다. 현재 메서드는 모터의 강력한 부착 표면에 충분 한 절연된 공간 제공 tetrapodal 방식으로 이것을 수행.

이 방법의 제한 형광 태그의 선택입니다. 모터의 회전 365 nm 파장에 의해 트리거됩니다 고 따라서 겹쳐 수 해야 특정 파장을 가진 염료만 사용할 수 있습니다. 또한, 합성 경로 대상 분자 쪽으로 설명된 프로토콜에 있는 가혹한 조건 반응의 완성에 필요한 몇 가지 단계가 필요 합니다. 미래에 더 손쉬운 합성 디자인은 아마 필요 단일 분자 이미징에 대 한 더 많은 고급 분자는 필요 합니다.

결론적으로, 설계 및 높은 기능성된 빛 구동 하는 분자 모터의 합성 처음으로 설명 되어 있습니다. 합성 하는 노력의 몇 가지 세부 사항은 잘 설명 되어 있습니다. 또한, 석 영 슬라이드 표면에 모터를 이식 하는 방법을 설명 하 고 샘플은 단일 분자 운동¹⁴의 시각화에 대 한 추가 시험 될 수 있다.

자료

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