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

Detta arbete stöddes ekonomiskt av den nederländska organisationen för vetenskaplig forskning (NWO-CW), Europeiska forskningsrådet (ERC, avancerade grant nr 694345 till B.L.F.), och ministeriet för utbildning, kultur och vetenskap (Gravitation program nr. 024.001.035).

Obs: Organisk syntes är stora kärnan i detta projekt. Figur 1 visar de viktigaste stegen och hur du skaffar målmolekylen.
1. beredning av 1b
Obs: Lösningsmedel köpte analyskvalitet.
<ol><li>
Syntesen av keton (3) Obs: Först en fem-medlem ring keton 2 med en Jodo grupp är functionalized eftersom det är mer reaktiv. Denna reaktion sker under argon atmosfär.<ol>
<li>I en sluten tub (100 mL) som innehåller 2 (640 mg, 2,3 mmol), CuI (219 mg, 1,1 mmol) och NaI (3.44 g, 23 mmol), lägga till 1,4-dioxan (50 mL) och N, N'-dimethyl etylendiamin (202 mg, 2,3 mmol).</li>
		<li>Ställa in reaktion temperatur till 140 ° C och rör för 24 h.</li>
		<li>Cool blandningen till rumstemperatur (RT), ta bort lösningsmedlet i vakuum och rena det återstående materialet genom flash kromatografi: SiO2 (40 g); eluenten: pentan: EtOAc = 10:1 (totalt = 550 mL). Produkten bör uppnås som en gul, klibbig olja (642 mg, 91%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Syntesen av motor 5 Obs: Använd Barton-Kellogg reaktionen för att bilda centrala dubbelbindningen. Denna reaktion sker under argon.<ol>
<li>I en 50 mL runda-botten, tillsätt Lawessons reagens (415 mg, 1,1 mmol), keton 3 (219 mg, 0,68 mmol) och toluen (10 mL).</li>
		<li>Värm blandningen på reflux för 2 h och därefter avdunsta lösningsmedlet.</li>
		<li>Rena återstoden av flash kolumn: SiO2 (24 g), eluenten: pentan: etylacetat = 30: 1 (totalt = 155 mL) att få den motsvarande thioketone, som är därefter löses på nytt upp i 20 mL THF avkastning en blå lösning.</li>
		<li>Lägga till en THF lösning (20 mL) av diazo förening 4 (476 mg, 1,37 mmol) blå lösningen och rör om nyligen blandade lösningen vid 50 ° C över natten. Obs: Detta är det mest avgörande steget av hela syntesen. Diazo förening och thioketone lösningen måste vara färskt och bör göras före reaktionen.</li>
		<li>Avdunsta lösningsmedlet och rena återstoden genom kromatografi: SiO2 (24 g), eluenten: pentan: CH2Cl2 = 10:1 (totalt = 220 mL) att ge motor 5 (250 mg, 50%) som en röd solid.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Syntesen av motor 6 Obs: När centrala dubbelbindningen bildas, Ersätt gruppen Jodo av en acetylen biexponentiellt.<ol>
<li>En 20 mL Schlenk tube, tillsätt 3 (165 mg, 0,26 mmol), Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 mol %), CuI (5 mol %). Lägg sedan till THF (10 mL) och (jag-Pr)2NH (2 mL) som bör vara bubblade med argon för 10 min innan.</li>
		<li>Rör blandningen på RT i 10 min. Lägg sedan till triisopropylsilyl acetylen (42 mg, 0,27 mmol).</li>
		<li>Rör blandningen för 15 h och häll det i en vattenlösning mättade NH4Cl lösning (25 mL).</li>
		<li>Packa blandningen med CH2Cl2 (3 x 20 mL). Ytterligare tvätta de kombinerade organiska skikt med mättad saltlake och torr (Na2SO4).</li>
		<li>Ta bort lösningsmedlet och rena återstoden av flash kromatografi: SiO2 (12 g), eluenten: pentan: CH2Cl2 = 10:1 (220 mL) för att ge 8 som en brun olja (171 mg, 99%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Syntesen av motor 8 Obs: Denna reaktion sker under argon.<ol>
<li>Rör ner en blandning av 6 (161 mg, 0,24 mmol), pinacol ester 7 (240 mg, 0,71 mmol), K3PO4 (300 mg, 1,44 mmol) och Pd (PPh3)4 (98 mg, 0,096 mmol) 1, 4dioxane (20 mL) vid 90 ° C i en 50 mL Schlenk tube för 16 h.</li>
		<li>Cool blandningen till RT, späd med etylacetat (30 mL) och utföra filtrering med glas filter.</li>
		<li>Ta bort lösningsmedlet. Rena återstoden av flash kolonnkromatografi: SiO2 (12 g), eluenten: pentan: CH2Cl2= 1:6 (totalt = 122 mL) att ge ester 8 som en brun olja (156 mg, 56%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Syntesen av motor 9
	<ol>
<li>Lägga till TBAF (0,1 mL) i en lösning av 8 (120 mg, 0,13 mmol) i THF (10 mL) i en 20 mL Schlenk röret vid 0 ° C.</li>
		<li>Rör blandningen vid 0 ° C för 1 h och häll det i en vattenlösning mättade NH4Cl lösning (20 mL).</li>
		<li>Efter extraktion med CHCl3 (3 x 10 mL), tvätta de kombinerade organiska skikt med mättad saltlake och torr (Na2SO4).</li>
		<li>Ta bort lösningsmedlet och rena återstoden av flash kromatografi: SiO2 (12 g), eluenten: pentan: etylacetat = 1:3 (124 mL) för att ge 9 som en mörk röd olja (116 mg, 95%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Syntesen av motor 12 Obs: Denna reaktion sker under argon.<ol>
<li>Till en 20 mL Schlenk tube, lägga till motor 9 (75 mg, 0.10 mmol), PBI 11 (68 mg, 0.10 mmol) Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 mol %), CuI (5 mol %). Lägg sedan till THF (10 mL) och (jag-Pr)2NH (2 mL) som bör vara bubblade med argon för 10 min innan.</li>
		<li>Rör blandningen över natten och häll det i en vattenlösning mättade NH4Cl lösning.</li>
		<li>Efter extraktion med CHCl3 (3 x 20 mL), tvätta de kombinerade organiska skikt med mättad saltlake och torr (Na2SO4).</li>
		<li>Ta bort lösningsmedlet och rena återstoden av flash kromatografi: SiO2 (12 g), eluenten: CHCl3 (100 mL) att ge motor 12 som en mörk röd solid (66 mg, 57%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Syntesen av motor 1b Obs: När ester föreningen erhålls, hydrolysera det för att göra slutliga målmolekylen.<ol>
<li>Lös de ester 12 (90 mg, 0.038 mmol) i THF (5 mL), MeOH (5 mL) och NaOH(aq.) (1 M, 5 mL) i en 50 mL mätkolv och värm blandningen till 75 ° C för 16 h.</li>
		<li>Kyl blandningen till RT och tillsätt 5 mL vatten. Ta bort THF och MeOH genom roterande avdunstning.</li>
		<li>Titrera blandningen med HCl(aq.) (1 M) tills ett pH av 1 till bildar en brun fällning. Filtratet blandningen och tvätta brun fast med kallt vatten (10 mL) och torka i vakuum. Denna bruna fast är det mål molekyl 1b (55 mg, 85%).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. beredning av motor functionalized enskiktslager MS-1b
<ol><li>Rengör kvarts bilder genom att doppa dem i en piranha-lösning (3:7 förhållandet 30% H2O2 H2SO4) vid 90 ° C under 1 h. Skölj rikligt med dubbeldestillerat vatten 3 x, och skölj sedan med MeOH. Torka glasen under en ström av N2 innan ytmodifiering.</li>
	<li>Silanize piranha-rengöras kvartarna glider genom nedsänkning i en 1 mM 3-aminopropyl (diethoxy) methylsilane i nydestillerat toluen på RT för 12 h. Skölj rikligt med toluen och MeOH.</li>
	<li>Sonikera kvartarna först i toluen, sedan i MeOH, och torka dem under en ström av argon.</li>
	<li>Fördjupa amine-belagd bilder i DMF lösning 1b (10-4 M) på RT för 12 h.</li>
	<li>Tvätta i bilderna med DMF, vatten och MeOH, sedan torka dem under en ström av argon. Efter torkning är bilderna klar för användning.</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>

Författarna har något att avslöja.

Projektet innebär en betydande mängd syntetiska arbete; Därför är det mest kritiska steget organisk syntes mot slutliga molekylen. Bland den totala syntesen är Barton-Kellogg reaktion det viktigaste steget, eftersom det är reaktionen där centrala dubbelbindningen molekylär motorn bildas. För närvarande har flera metoder använts för att bilda dessa typer av strukturer. Här diazo-thioketone koppling används, och de övre och undre halvorna har upprättats som de diazo och thioketone föreningarna, respektive. Thioketone och diazoföreningar är oftast inte stabil under luft; reaktionen kräver därför snabb drift under en strikt inert atmosfär.
Befintliga metoder för att begränsa molekylära motorer på ytor är mestadels baserade på bipodal system. Dock var de isomerization processerna av tidigare designat bipodal motorer skymd på grund av intermolekylära växelverkningar. Några av de bipodal exempel kräver dessutom ytterligare aktivering före fastsättning. Den nuvarande metoden utför detta på ett tetrapodal sätt, som ger robust fastsättning av motorn på ytor med tillräckligt isolerat utrymme.
En begränsning med denna metod är valet av fluorescerande tagg. Endast färgämnen med specifika våglängder tillåts, eftersom rotation av motor utlöses av 365 nm våglängd och bör således inte vara överlappad. Dessutom kräver syntetiska rutten sysselsatt i protokollet beskrivs mot målmolekylen flera steg där hårda villkor krävs för slutförande av reaktionen. I framtiden, behövs förmodligen en mer lättköpt syntetiska design krävs en mer avancerad molekyl för enstaka molekylär avbildning.
Sammanfattningsvis, beskrivs design och syntes av en mycket functionalized ljus-driven molekylär motor för första gången. Vissa detaljer i den syntetiska insatsen diskuteras, liksom. Dessutom demonstreras metoder att ympa motorn på en kvarts bild yta, och provet kan testas ytterligare för visualisering av enda molekylär rörelse14.

I levande organismer finns det rikligt molekylära motorer fungerar för att upprätthålla dagliga liv. De har möjlighet att utföra olika uppgifter som bränsleproduktion, transport, rörlighet, etc.1. Teckning från inspiration av dessa fascinerande exempel i naturen, har forskare utvecklat en serie av konstgjorda molekylära motorer under de senaste årtiondena att omvandla olika typer av energi till kontrollerad rörelse på molekylär nivå2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10. Nobelpriset i kemi under 2016 tilldelades tre pionjärer på detta område. Ben Feringa, en av pristagarna, har utvecklat den ljus-driven molekylär motor som kan genomgå fortlöpande enkelriktad roterande rörelse.
Dock på en molekylär nivå är Brownsk rörelse, även känd som slumpmässig rörelse på grund av molekylär kollisioner och vibrationer, oftast det största hindret för ytterligare tillämpning av dessa molekylära motorer. Brownsk rörelse kan störa någon riktad rörelse. Begränsa den molekylära motorer på ytor kan vara en av alternativ för att lösa detta problem. På så sätt konverteras relativ rotation av en del av molekylen med avseende på den andra till absoluta rotation av rotorn i förhållande till yta11. Dessutom kan användningen av den enda molekylär imaging tekniken hjälpa visualisera rörelse. Därför hjälper de resultaten av detta arbete för att få mer insikt i de syntetiska molekylär motorn.
Den banbrytande arbete Yoshida och Kinosita (figur 2a)12,13 har tjänat som inspiration till designen i den nuvarande arbete, som visas i figur 2b. Den nedre halvan av en ljus-driven molekylär motor är kopplad till en yta för att fungera som statorn. Å rotor är functionalized med styva arm och fluorescerande etikett. När du tillämpar två olika bestrålning våglängder till systemet, utlöser en rotation av motorn, medan andra kommer att uppväcka fluorescerande etiketten. I princip utlöser den roterande rörelsen å rotor rotation av fluorescerande gruppen. Rotation av fluorescerande etiketten kan därför följas av oskärpa wide-fältet fluorescensmikroskopi. Denna metod erbjuder, för första gången, en metod för att omvandla relativ rotation av en molekylär motor till absoluta rotation, och därför ett sätt att visualisera rotation av en syntetisk motor.
Denna artikel finns information om design, totala syntesen och lösning isomerization studier av en molekylär motor som används för enstaka molekylär avbildning. Molekylär struktur visas i figur 3. Dessutom beskrivs metoden att fästa molekylära motorer på kvarts yta.

<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

Design och syntes av ett syntetiskt system som syftar till direkt visualisering av en syntetisk rotationsmotor på nivån enda molekyl på ytor demonstreras. Detta arbete kräver noggrann design, betydande syntetiska ansträngning och ordentlig analys. Den roterande rörelsen av molekylär motorn i lösning framgår av 1H NMR och UV-vis absorption spektroskopi tekniker. Dessutom beskrivs metoden att ympa motorn på en amine-belagd kvarts. Denna metod hjälper till att få mer insikt i molekylära maskiner.

Bestrålning av molekylär motor utförs med UV-ljus (λmax = 365 nm). Vid bestrålning uppstår en foto-inducerad E-Z isomerization runt centrala dubbelbindningen. Under denna process förvandlas molekylen från en stabil till en instabil isomer. En termiskt aktiverade helix inversion steg sedan följer att släppa stammen av den hela molekylen. Detta resulterar i det ursprungliga stabila tillståndet. 1 H NMR spektroskopin är sedan anställd att utvärdera roterande processen (figur 4a). En lösning av provet bereds i en NMR röret, då en lampa av UV-ljus (λmax = 365 nm) placeras bredvid röret. Efter 2 h av bestrålning, kan tydliga förändringar hittas i 1H NMR spectrumen. Dessa förändringar tyder generering av en ny isomer som anses vara instabil-1b (figur 4b). Det ses den 1H NMR spektroskopi som Hen skiftar från 2,9 ppm (dublett) till 3,3 ppm (dubbel doublet). Signalen på 1,4 ppm kan tilldelas som absorptionen av metylgruppen, och downfield skiftar från 1,4 ppm till 1,6 ppm. När provet hålls över natten i rumstemperatur i mörkret, det ursprungliga spektrumet kan återvinnas (figur 4a). Det visar processen för termisk helix inversionen som konverterar instabil-1b till stabil-1b.
För att studera den roterande rörelsen av motor 1b på ytor, de yta-anslutna motor assemblies MS-1b (MS = motor på ytor) är beredda. Quartz bilderna är först functionalized med Amin. Efter detta steg, är kvartar nedsänkt i en DMF lösning (10-4 M) 1b på RT över natten. Det resulterande kvart sköljs med DMF, vatten och MeOH. Förberedda kvarts bilderna skickas sedan för UV/vis studier. En UV/vis absorptionsspektrum av MS-1b (heldragen linje) visas i Figur 5b. Som sett i spektrumet, är större absorptionsbandet och absorption profil liknande den som observerats i lösning (figur 5a). Det visar också de karakteristiska absorberingar för motor (420 nm) och PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Dessa toppar föreslår framgångsrika fastsättning av motor 1b till amine-belagda ytor. Dessutom kvarts bilden bestrålas för 15 min och spektrala förändringar observeras liknar lösningen, som anger generation av instabila MS-1b.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig1.jpg"> Figur 1 : Syntetiska system mot förberedelsen av målet molekyl 1b. Systemet visar reagenser, lösningsmedel och reaktion villkor som används i varje steg.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig2.jpg"> Figur 2 : (en) Schematisk illustration av strukturera av F0F1-ATPas ympade på en yta för visualisering av enkelriktad rotation (återges här med tillstånd12). (b), konceptuell design av en syntetisk yta-bundna ljus-driven molekylär motor för enda molekyl imaging.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig3.jpg"> Figur 3 : Struktur av en yta-bundna molekylär motor 1b, bär en styv lång arm mellan motorisk kärna och PBI etikett. 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig4.jpg"> Figur 4 : Alifatiska regionen av den 1 H-NMR-spektra av motor 1b (CD2Cl2, -20 ° C, c = 10-3 M) (en) stall-1b, före bestrålning (365 nm). (b), Foto stationärt tillstånd blandning efter bestrålning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58750/58750fig4large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58750/58750fig5v2.jpg"> Figur 5 : UV/vis-Absorptionsspektra. UV/vis-Absorptionsspektra (en) motor 1b (CH2Cl2, 0 ° C), stabila isomeren (heldragen linje) och instabil isomer (streckad linje) vid PSS. (b) MS-1b (kvarts, 4 ° C) före (heldragen linje) och efter (streckad linje) bestrålning.

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

Ljus-driven molekylära motorer på ytor för enstaka molekylär avbildning

Manuskriptet beskriver hur att syntetisera och ympa en molekylär motor på ytor för enstaka molekylär avbildning.

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 ...

Detta protokoll ger ett första exempel på visualisera rotationen av en konstgjord ljusdriven molekylär motor på den enda molekylära nivån. Den syntetiska tekniken som används här är utformad för att möjliggöra syntes av en komplex molekylär maskin med flera funktionella grupper. Först, under en argon atmosfär, placera 640 milligram av rotorn föregångare förening två, 219 milligram koppar iodid, och 3,44 gram natriumpodid i en 100-milliliter Schlenk rör utrustad med en rör bar.Anslut det förseglade röret till en Schlenk-linje och tillsätt 50 milliliter 1, 4-dioxan och 263 milligram trans-1, 2-Diaminocyclohexane. Rör om blandningen vid 140 grader Celsius i 24 timmar för att byta ut den bromiska substituenten mot jod. Låt sedan blandningen svalna till rumstemperatur och avdunsta lösningsmedlet under vakuum.Rena föreningen genom kiselgelblixtkromatografi och avlägsna flyktiga ämnena för att få den jod-substituerade föreningen tre som en klibbig, gul olja. Placera sedan 415 milligram Lawessons reagens och 219 milligram förening tre i en Schlenk-kolv utrustad med en omrörningsstång. Anslut kolven till en Schlenk-linje via en kondensor och rensa den med argon tre gånger.Tillsätt 10 milliliter toluen och återflöde blandningen i två timmar för att konvertera förening tre till en tiooketon. Avdunsta lösningsmedlet och rena thioketon genom blixtkromatografi. Avlägsna flyktiga ämnen från den rena fraktionen och lös upp det isolerade tioketon i 20 milliliter av tetrahydrofuran.Därefter lösa 476 milligram nyberedda förening 4, som är stator diazo föregångare, i en annan 20 milliliter av THF. Tillsätt lösningen av förening 4 till tiooketonlösningen och återflöde blandningen under argon i 16 timmar under omrörning för att bilda dubbelbindningen mellan rotorn och statorn. Avdunsta överskott lösningsmedel, rena råvaran genom blixtkromatografi, och avlägsna flyktiga ämnen för att erhålla motorförening 5 som ett rött fast ämne.Därefter, tillsätt 165 milligram motor 5, 4,56 milligram bis(triphenylphosphine)palladiumklorid, och 2,48 milligram koppar iodid till en 20-milliliter Schlenk röret utrustad med en rör bar. Täta röret och anslut det till en Schlenk linje. Kombinera 10 milliliter THF och två milliliter diisopropylamin och bubbla argon genom blandningen i 10 minuter.Överför sedan blandningen till Schlenk-röret och rör om reaktionsblandningen under argon i rumstemperatur i 10 minuter. Tillsätt 42 milligram triisopropylsilylacetyl och fortsätt omrörning i 15 till 16 timmar för att ersätta jod med TIPS acetylen. Häll sedan produktblandningen i 25 milliliter mättad aqueous ammoniumklorid.Extrahera produkten i tre 20-milliliter delar av diklormetan och tvätta de kombinerade organiska lagren en gång med 50 milliliter mättad saltlake. Torka de tvättade organiska lagren över natriumsulfat. Filtrera bort torkmedlet och avlägsna överflödigt lösningsmedel.Rena återstoden genom blixtkromatografi och avlägsna flyktiga ämnena under vakuum för att erhålla motor sex som en brun olja. I en 50-milliliter kolv utrustad med en rörstång, kombinera 90 milligram av PBI-märkta motor 12, fem milliliter THF, fem milliliter metanol, och fem milliliter av en-molar vattenhaltiga natriumhydroxid. Rör blandningen vid 70 grader Celsius i sex timmar för att hydrolysera estrar på statorn.Sedan, kyl blandningen till rumstemperatur under omrörning. Tillsätt fem milliliter dubbelt destillerat vatten och avlägsna de flyktiga lösningsmedlet genom rotationsavdunstning. Tillsätt vattenhaltig en-molar hydraulisk syra tills blandningen når pH en, vid vilken punkt motor 1b kommer fällning från lösning som en brun fast.Återvinn fastet genom filtrering, tvätta den med 10 milliliter kallt vatten och torka den under vakuum. Därefter blöta kvartsrutschbanor i pirayalösning vid 90 grader Celsius i en timme. Skölj rutschkanorna med fem milliliter dubbelt destillerat vatten tre gånger och med metanol en gång.Torka rutschkanorna med kvävegas. Sedan, förbereda en en-millimolar lösning av 3-aminopropyl(diethoxy)metylsilan i nydestillerat toluen. Blötlägg objektglasen i denna lösning i 12 timmar i rumstemperatur och skölj sedan silaniserade objektglasen med fem milliliter vardera av toluen och metanol.Sänk ned rutschbanorna i toluen och metanol i sekvens i två minuter vardera och torka dem sedan under en ström av argongas. Därefter förbereder fem milliliter av en 0,1-millimolar lösning av motor 1b i dimetylformamid för varje bild. Blötlägg objektglasen i 1b-lösningen i rumstemperatur i 12 timmar för att funktionalisera kvartsytorna med ett monolayer på 1b.Tvätta de funktionaliserade rutschkanorna med DMF, vatten, och metanol i sekvens. Torka rutschkanorna med argongas och förvara dem i en förseglad behållare under argon. Molekylär motor 1b var syntetiserade i måttlig avkastning, med en styv, fenyl-ethynylene tetramer arm som förbinder kärnan i rotorn till fluorescerande tag.Protonen NMR spektrum visade ingen betydande vicinal koppling mellan Ha och Hc, vilket är förenligt med Ha och Hc båda är i pseudoekvatial inriktning. Axiell ekvatorial vicinal koppling observerades mellan Hb och Hc.Irradiation med 365-nanometer ljus inducerad isomerization runt den centrala dubbelbindningen till denna instabila isomer. Downfieldförskjutningen av metylsignalen och utvecklingen av vicinalkoppling mellan Ha och Hc visade båda att metylgruppen var pseudoekvatatoriell.När föreningen hölls i mörker vid rumstemperatur, termisk helix inversion frigörs stammen på molekylen med naftalen glider förbi fluoren. Detta returnerade molekylen till sin ursprungliga konfiguration på grund av symmetrisk fluoren stator. UV/vis spektroskopi av den stabila och instabila isomerer visade blygsamma skillnader i de karakteristiska absorption regionerna för den stela armen och fluorescerande tag.Den framgångsrika monteringen av ett monolayer av motor 1b på kvarts bekräftades av UV/vis spektroskopi. Den monolayer krävs endast 15 minuter av bestrålning för att nå den instabila isomer i foto stationära tillstånd. Det är viktigt att se till att de diazo och tiooketon föreningar är nygjord för att säkerställa en framgångsrik syntes av motorn 5.Forskningsfältet molekylära maskiner kan dra nytta av denna metod, eftersom det ger en viktig riktlinje för att utforma, syntetisera och visualisera komplexa molekylära maskiner. Pirayalösning används för att rengöra objektglasen. Denna lösning är mycket sura, och bör användas med försiktighet.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Kovalent Bindning av BMP-2 på ytorna med en själv monterade monolager Approach

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

Ljusdriven Enzymatisk Dekarboxylering

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

Direkt avbildning av laserstyrda Ultra Molecular Rotation

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

Mätningar av långväga elektroniska korrelationer under femtosekund diffraktion experiment utförs på nanokristaller av 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

Nedfall av porösa absorbenter på tyg stöder

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

Automatisering av ett Positron-emission Tomography (PET) Radiotracer syntes protokoll för klinisk produktion

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 kontrollerade translokationen i cellkärnan gäster i levande celler med bur molekylär lim som Photoactivatable Taggar

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

En sluten typ trådlösa Nanopore elektrod för att analysera enstaka nanopartiklar

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

Analys av komplexa molekyler och deras reaktioner på ytor med hjälp av klusterinducerad desorption/Jonisering Masspektrometri

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

Excitonic Hamiltonians för beräkning optisk absorptionsspektra och optoelektroniska egenskaper hos molekylära aggregat och fasta ämnen

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