Name: light-driven molecular motors on surfaces for single molecular imaging
Uploaded: 2019-03-13T13:00:00
Duration: 8 min 40 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging at JoVE.com

עבודה זו נתמכה כלכלית על ידי הארגון הולנד על מחקר מדעי (בתחרות-CW), המועצה האירופית למחקר (ERC; מתקדם מענק מס 694345 B.L.F.), משרד החינוך, התרבות ואת המדע (הכבידה תוכנית. לא. 024.001.035).

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.
<ol><li>
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.<ol>
<li>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).</li>
		<li>הגדר את טמפרטורת התגובה עד 140 ° C ומערבבים במשך 24 שעות ביממה.</li>
		<li>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%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
סינתזה של מנוע 5 הערה: השתמש התגובה ברטון-קלוג להקים מרכזי הקשר הכפול. התגובה הזו מבוצעת תחת ארגון.<ol>
<li>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).</li>
		<li>מחממים את התערובת על ריפלוקס כבר שעתיים, לאחר מכן להתאדות הממס.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
סינתזה של מנוע 6 הערה: כאשר נוצר הקשר הכפול במרכז, להחליף את הקבוצה iodo על ידי moiety אצטילן.<ol>
<li>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.</li>
		<li>מערבבים את התערובת ב RT למשך 10 דקות. לאחר מכן, הוסף אצטילן triisopropylsilyl (42 מ"ג, 0.27 mmol).</li>
		<li>מערבבים את התערובת עבור 15 h ולאחר מכן ותשפכי לתוך מימית רווי NH4פתרון קלרנית (25 מ ל).</li>
		<li>לחלץ את התערובת עם CH2Cl2 (3 x 20 מ"ל). בהמשך לשטוף את הרבדים אורגני בשילוב עם מלח רוויה ויבש (נה2אז4).</li>
		<li>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%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
סינתזה של מנוע 8 הערה: התגובה הזו מבוצעת תחת ארגון.<ol>
<li>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.</li>
		<li>מגניב את התערובת RT, לדלל את זה עם אתיל אצטט (30 מ ל), ולבצע הסינון עם מסנן זכוכית.</li>
		<li>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%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
סינתזה של מנוע 9
	<ol>
<li>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.</li>
		<li>מערבבים את התערובת ב-0 מעלות צלזיוס עבור 1 h ולאחר מכן ותשפכי לתוך מימית רווי NH4פתרון קלרנית (20 מ ל).</li>
		<li>לאחר החילוץ עם CHCl3 (3 x 10 מ"ל), לשטוף את הרבדים אורגני בשילוב עם מלח רוויה ויבש (נה2אז4).</li>
		<li>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%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
סינתזה של מנוע 12 הערה: התגובה הזו מבוצעת תחת ארגון.<ol>
<li>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.</li>
		<li>מערבבים התערובת למשך הלילה, ותשפכי לתוך מימית רווי NH-4פתרון Cl.</li>
		<li>לאחר החילוץ עם CHCl3 (3 x 20 מ ל), לשטוף את הרבדים אורגני בשילוב עם מלח רוויה ויבש (נה2אז4).</li>
		<li>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%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
סינתזה של מנוע 1b הערה: כאשר המתחם אסתר מתקבל, hydrolyze אותה כדי להפוך מולקולת המטרה הסופית.<ol>
<li>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.</li>
		<li>מגניב את התערובת RT ולהוסיף 5 מ ל מים. הסר את THF ואת MeOH על ידי אידוי רוטרי.</li>
		<li>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%).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. הכנת מנוע functionalized טפט MS-1b
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Sonicate של הקוורץ קודם טולואן ולאחר מכן ב- MeOH, לייבש אותם תחת זרם של ארגון.</li>
	<li>לטבול את השקופיות מצופים amine בפתרון DMF 1b (10-4 מ')-RT במשך 12 שעות.</li>
	<li>לשטוף את השקופיות עם DMF, מים MeOH, ואז לייבש אותם תחת זרם של ארגון. לאחר הייבוש, השקופיות מוכנים לשימוש.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Berg, J. M., Tynoczko, J. L., Styer, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Biochemistry 5th ed. , (2006).</li><li>Erbas-Cakmak, S., Leigh, D. A., McTernan, C. T., Nussbaumer, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Artificial+Molecular+Machines.">Artificial Molecular Machines.</a> Chemical Reviews. 115, 10081-10206 (2015).</li><li>Feringa, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Art+of+Building+Small:+From+Molecular+Switches+to+Motors.">The Art of Building Small: From Molecular Switches to Motors.</a> Angewandte Chemie: International Edition. 56, 11059-11078 (2017).</li><li>Stoddart, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+Machines.">Molecular Machines.</a> Accounts of Chemical Research. 34, 410-411 (2001).</li><li>Kinbara, K., Aida, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+Intelligent+Molecular+Machines:+Directed+Motions+of+Biological+and+Artificial+Molecules+and+Assemblies.">Toward Intelligent Molecular Machines: Directed Motions of Biological and Artificial Molecules and Assemblies.</a> Chemical Reviews. 105, 1377-1400 (2005).</li><li>Kay, E. R., Leigh, D. A., Zerbetto, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthetic+Molecular+Motors+and+Mechanical+Machines.">Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines.</a> Angewandte Chemie: International Edition. 46, 72-191 (2007).</li><li>Kottas, G. S., Clarke, I. L., Horinek, D., Michl, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Artificial+Molecular+Rotors.">Artificial Molecular Rotors.</a> Chemical Reviews. 105, 1281-1376 (2005).</li><li>Watson, M. A., Cockroft, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Man-made+Molecular+Machines:+Membrane+Bound.">Man-made Molecular Machines: Membrane Bound.</a> Chemical Society Reviews. 45, 6118-6129 (2016).</li><li>Kassem, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Artificial+Molecular+Motors.">Artificial Molecular Motors.</a> Chemical Society Reviews. 46, 2592-2621 (2017).</li><li>Sauvage, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Molecular Machines and Motors. , (2001).</li><li>van Delden, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unidirectional+molecular+motor+on+a+gold+surface.">Unidirectional molecular motor on a gold surface.</a> Nature. 437, 1337-1340 (2005).</li><li>Noji, H., Yasuda, R., Yoshida, M., Kinosita, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+observation+of+the+rotation+of+F1-ATPase.">Direct observation of the rotation of F1-ATPase.</a> Nature. 386, 299-302 (1997).</li><li>Hutchison, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+surface-bound+molecule+that+undergoes+optically+biased+Brownian+rotation.">A surface-bound molecule that undergoes optically biased Brownian rotation.</a> Nature Nanotechnology. 9, 131-136 (2014).</li><li>Krajnik, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Defocused+Imaging+of+UV-Driven+Surface-Bound+Molecular+Motors.">Defocused Imaging of UV-Driven Surface-Bound Molecular Motors.</a> Journal of the American Chemical Society. 139, 7156-7159 (2017).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

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.

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 מולקולרית2 , 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:827px;" width="826">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:353px;">NMR spectrometer</td>
			<td style="width:73px;">Varian</td>
			<td style="width:228px;">AMX400</td>
			<td style="width:172px;">for proton nmr study</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:353px;">Reagent for organic reactions</td>
			<td style="width:73px;">Sigma</td>
			<td style="width:228px;">analytical grade</td>
			<td>reagent for organic reactions</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Silica gel&#160;</td>
			<td style="width:73px;">Merck</td>
			<td>230-400 mesh ASTM</td>
			<td>Flash chromatography&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:353px;">Solvent</td>
			<td style="width:73px;">Acros</td>
			<td style="width:228px;">spectrophotometric grade&#160;</td>
			<td>Flash chromatography&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">UV lamp</td>
			<td style="width:73px;">ENB</td>
			<td style="width:228px;">280C</td>
			<td>for UV-vis irradation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:353px;">UV-vis absorption spectrophotometer</td>
			<td>JASCO</td>
			<td>V-630&#160;</td>
			<td>UV-vis measurment</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

light-driven molecular motors on surfaces for single molecular imaging

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.

הקרנה של המנוע מולקולרית מתבצע באמצעות אור UV (λמקסימום = 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 (λמקסימום = 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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig1.jpg"> איור 1 : ערכת סינתטי לקראת הכנת 1b מולקולה היעד. התכנית מציגה את ריאגנטים, ממיסים, תנאי ריאקציה המשמשים בכל שלב.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig2.jpg"> 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.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig3.jpg"> איור 3 : מבנה השטח מכורך מולקולרית מנוע 1b, הנושאת זרוע ארוכה נוקשה בין מנוע הליבה לבין התווית מפ ל. 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig4.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58750/58750fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig5v2.jpg"> 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.

Watch this Scientific Journal Video about Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging at JoVE.com

Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging

מונחי-אור המנועים המולקולריים על משטחים עבור יחיד הדמיה מולקולרית

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

The design and synthesis of a synthetic system that aims for the direct visualization of a synthetic rotary motor at the single molecule level on surfaces ...

פרוטוקול זה מספק דוגמה ראשונה להדמיית הסיבוב של מנוע מולקולרי מונחה אור שנעשה על ידי אדם ברמה המולקולרית היחידה. הטכניקה הסינתטית המשמשת כאן נועדה לאפשר סינתזה של מכונה מולקולרית מורכבת עם מספר קבוצות פונקציונליות. ראשית, תחת אווירת ארגון, מניחים 640 מיליגרם של תרכובת הרוטור המבשר שתיים, 219 מיליגרם של יודיד נחושת, ו 3.44 גרם של נתרן יודיד בצינור שלנק 100 מיליליטר מצויד בבר ערבוב.חבר את הצינור האטום לקו שלנק והוסף 50 מיליליטר של 1, 4-דיוקסן ו 263 מיליגרם של טרנס 1, 2-Diaminocyclohexane. מערבבים את התערובת ב 140 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות כדי להחליף את תת התבלין ברום עבור יוד. לאחר מכן, תן את התערובת להתקרר לטמפרטורת החדר ולאדות את הממס תחת ואקום.לטהר את המתחם על ידי כרומטוגרפיה פלאש ג'ל סיליקה ולהסיר את volatiles כדי לקבל את המתחם תחליף יוד שלוש כמו דביק, שמן צהוב. לאחר מכן, מניחים 415 מיליגרם של הריג'נט של לוסון ו-219 מיליגרם של תרכובת 3 בבקבוק שלנק המצויד בבר ערבוב. חבר את הבקבוק לקו שלנק באמצעות מעב וטיהור אותו עם ארגון שלוש פעמים.מוסיפים 10 מיליליטר של טולון ומזרים מחדש את התערובת במשך שעתיים כדי להמיר תרכובת שלוש לתיוקטון. להתאדות את הממס ולטהר את thioketone על ידי כרומטוגרפיה פלאש. הסר נדיפים מהשבר הטהור ולהמיס את thioketone מבודד ב 20 מיליליטר של tetrahydrofuran.לאחר מכן, להמיס 476 מיליגרם של תרכובת מוכנה טרי 4, שהוא מבשר דיאזו סטטור, עוד 20 מיליליטר של THF. מוסיפים את הפתרון של תרכובת 4 לפתרון thioketone ולנפח את התערובת תחת ארגון במשך 16 שעות תוך ערבוב כדי ליצור את הקשר הכפול בין הרוטור לבין הסטטור. לאדות ממס עודף, לטהר את המוצר הגולמי על ידי כרומטוגרפיה פלאש, ולהסיר את נדיפים כדי להשיג תרכובת מנוע 5 כמו מוצק אדום.לאחר מכן, להוסיף 165 מיליגרם של מנוע 5, 4.56 מיליגרם של ביס (triphenylphosphine) פלדיום כלוריד, ו 2.48 מיליגרם של יודיד נחושת לצינור שלנק 20 מיליליטר מצויד בר ערבוב. לאטום את הצינור ולחבר אותו לקו שלנק. מערבבים 10 מיליליטר של THF ושני מיליליטר של diisopropylamine וארגון בועה דרך התערובת במשך 10 דקות.לאחר מכן, מעבירים את התערובת לצינור שלנק ומערבבים את תערובת התגובה תחת ארגון בטמפרטורת החדר במשך 10 דקות. מוסיפים 42 מיליגרם של אצטילן triisopropylsilyl וממשיכים לבחוש במשך 15 עד 16 שעות כדי להחליף את היוד עם טיפים אצטילן. לאחר מכן, יוצקים את תערובת המוצר לתוך 25 מיליליטר של אמוניום כלוריד מיוורי רווי.מוציאים את המוצר לשלוש מנות של 20 מיליליטר של דיכלורומטן ושוטפים את השכבות האורגניות המשולבות פעם אחת עם 50 מיליליטר של מלח רווי. יבש את השכבות האורגניות השטופות על נתרן גופרתי. מסננים את היודש ומסירים ממיס עודף.לטהר את השאריות על ידי כרומטוגרפיה פלאש ולהסיר את הנדיפים תחת ואקום כדי לקבל מנוע שש כמו שמן חום. בבקבוקון 50 מיליליטר מצויד בבר ערבוב, לשלב 90 מיליגרם של מנוע PBI שכותרתו 12, חמישה מיליליטר של THF, חמישה מיליליטר של מתנול, וחמישה מיליליטר של נתרן מיטורי אחד טוחן. מערבבים את התערובת ב 70 מעלות צלזיוס במשך שש שעות כדי הידרוליזה esters על הסטטור.לאחר מכן, מקררים את התערובת לטמפרטורת החדר תוך כדי ערבוב. מוסיפים חמישה מיליליטר של מים מזוקקים כפליים ומסירים את הממסים הנדיפים על ידי אידוי סיבובי. מוסיפים חומצה הידראולית מימית אחת עד שהתערובת מגיעה ל- pH 1, ובנקודה זו מנוע 1b יזרז מהתסרון כמוצק חום.לשחזר את מוצק על ידי סינון, לשטוף אותו עם 10 מיליליטר של מים קרים ולייבש אותו תחת ואקום. לאחר מכן, השרו מגלשות קוורץ בתספיר פיראניה ב-90 מעלות צלזיוס למשך שעה. שוטפים את המגלשות בחמישה מיליליטר של מים מזוקקים כפליים שלוש פעמים ועם מתנול פעם אחת.יבש את המגלשות עם גז חנקן. לאחר מכן, להכין פתרון מילימולר אחד של 3 אמינופרופיל (diethoxy)מתילסילן בטולואן מזוקק טרי. השרו את המגלשות בתסרון זה במשך 12 שעות בטמפרטורת החדר ולאחר מכן שטפו את המגלשות הסילניות בחמישה מיליליטר כל אחד מטולואן ומתנול.לטבול את המגלשות בטולואן ומתנול ברצף במשך שתי דקות כל אחד, ולאחר מכן לייבש אותם תחת זרם של גז ארגון. לאחר מכן, הכן חמישה מיליליטר של פתרון 0.1 מילימולר של מנוע 1b ב dimethylformamide עבור כל שקופית. משרים את השקופיות בתסנון 1b בטמפרטורת החדר במשך 12 שעות כדי לתפקד משטחי הקוורץ עם monolayer של 1b.לשטוף את השקופיות פונקציונלי עם DMF, מים, ומתנול ברצף. יבש את המגלשות עם גז ארגון ולאחסן אותם במיכל אטום מתחת לארגון. מנוע מולקולרי 1b סונתז בתפוקה מתונה, עם זרוע טטרמר פנול-אתילן נוקשה המחברת את ליבת הרוטור לתג הפלואורסצנטי.ספקטרום פרוטון NMR לא הראה זיווג vicinal משמעותי בין הא Hc, אשר עולה בקנה אחד עם הא ו Hc הן להיות אוריינטציות pseudoequatorial. צימוד צירי קו המשווה נצפתה בין Hb ו Hc.Irradiation עם 365 ננומטר אור המושרה isomerization סביב הקשר הכפול המרכזי לאיסור לא יציב זה. התזוזה במורד השדה של אות המתיל והתפתחות הצימוד הוויקינאלי בין הא ל-Hc הצביעו שניהם על כך שקופת המתיל הייתה פסאודו-קוטוריאלית.כאשר המתחם נשמר בחושך בטמפרטורת החדר, היפוך סליל תרמי שחרר את העומס על המולקולה עם נפטלין מחליק על פני הפלואורן. זה החזיר את המולקולה לתצורה המקורית שלה בגלל סטטור פלואורן סימטרי. ספקטרוסקופיית UV/vis של איזומרים יציבים ולא יציבים הראתה הבדלים צנועים באזורי הספיגה האופייניים לזרוע הנוקשה ולתג הפלואורסצנטי.ההרכבה המוצלחת של מונוליאר של מנוע 1b על קוורץ אושרה על ידי ספקטרוסקופיה UV / vis. המונוליאר דרש רק 15 דקות של הקרנה כדי להגיע לאייסר הלא יציב במצב נייח צילום. חשוב לוודא תרכובות דיאזו ו thioketone נעשים טריים כדי להבטיח את הסינתזה המוצלחת של המנוע 5.תחום המחקר של מכונות מולקולריות יכול להפיק תועלת שיטה זו, כפי שהוא מספק קו מנחה חשוב לעיצוב, סינתזה, והדמיה של מכונות מולקולריות מורכבות. פתרון פיראנה משמש לניקוי השקופיות. פתרון זה הוא חומצי מאוד, ויש להשתמש בו בזהירות.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Covalent Binding of BMP-2 on Surfaces Using a Self-assembled Monolayer Approach

קוולנטיים עקידת BMP-2 על משטחים באמצעות גישה חד שכבתי התאסף עצמית

Bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) is a growth factor embedded in the extracellular matrix of bone tissue. BMP-2 acts as trigger of mesenchymal cell ...

Light-driven Enzymatic Decarboxylation

אור מונחה אנזימתי Decarboxylation

Oxidoreductases belong to the most-applied industrial enzymes. Nevertheless, they need external electrons whose supply is often costly and challenging. ...

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

Measurements of Long-range Electronic Correlations During Femtosecond Diffraction Experiments Performed on Nanocrystals of Buckminsterfullerene

מדידות של מתאמים אלקטרונית לטווח ארוך במהלך הניסויים עקיפה הפמטו-שנייה מתבצע על Nanocrystals של Buckminsterfullerene

The precise details of the interaction of intense X-ray pulses with matter are a topic of intense interest to researchers attempting to interpret the ...

Deposition of Porous Sorbents on Fabric Supports

הפקדת סופגים נקבובי על בד תומך

A microwave deposition technique for silanes, previously described for production of oleophobic fabrics, is adapted to provide a fabric support material ...

Automation of a Positron-emission Tomography (PET) Radiotracer Synthesis Protocol for Clinical Production

Automation of a Positron-emission Tomography PET Radiotracer Synthesis Protocol for Clinical Production

אוטומציה של טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET) Radiotracer סינתזה פרוטוקול לייצור קליני

The development of new positron-emission tomography (PET) tracers is enabling researchers and clinicians to image an increasingly wide array of biological ...

Spatiotemporally Controlled Nuclear Translocation of Guests in Living Cells Using Caged Molecular Glues as Photoactivatable Tags

Spatiotemporally מבוקר גרעיני טרנסלוקציה של האורחים בתאים חיים באמצעות דבקים מולקולרית בכלובים כמו Photoactivatable תגיות

The cell nucleus is one of the most important organelles as a subcellular drug-delivery target, since modulation of gene replication and expression is ...

A Closed-Type Wireless Nanopore Electrode for Analyzing Single Nanoparticles

אלקטרודה Nanopore אלחוטית מסוג סגור לניתוח חלקיקים יחיד

Measuring the intrinsic features of single nanoparticles by nanoelectrochemistry holds deep fundamental importance and has potential impacts in ...

Analysis of Complex Molecules and Their Reactions on Surfaces by Means of Cluster-Induced Desorption/Ionization Mass Spectrometry

ניתוח של מולקולות מורכבות והתגובות שלהם על משטחים באמצעות מצבר-המושרה באמצעות אשכול/אינון המסה ספקטרומטריה

Desorption/Ionization Induced by Neutral SO2 Clusters (DINeC) is employed as a very soft and efficient desorption/ionization technique for mass ...

Excitonic Hamiltonians for Calculating Optical Absorption Spectra and Optoelectronic Properties of Molecular Aggregates and Solids

רגש החמיריות לחישוב ספקטרום הקליטה אופטי ואלקטרואופטיקה תכונות של אגרגטים מולקולריים ומוצקים

Rational design of disordered molecular aggregates and solids for optoelectronic applications relies on our ability to predict the properties of such ...