Artykuł metodologiczny

Napędzane światłem silniki molekularne na powierzchniach do obrazowania pojedynczych cząsteczek

12K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58750

⸱

13 marca 2019

 ,  , 
1Stratingh Institute for Chemistry, University of Groningen

W tym artykule

Podsumowanie

Rękopis opisuje, jak zsyntetyzować i zaszczepić silnik molekularny na powierzchniach do obrazowania pojedynczych molekularnych.

Streszczenie

Pokazano projekt i syntezę syntetycznego systemu, który ma na celu bezpośrednią wizualizację syntetycznego silnika obrotowego na poziomie pojedynczej cząsteczki na powierzchniach. Ta praca wymaga starannego zaprojektowania, znacznego wysiłku syntetycznego i odpowiedniej analizy. Ruch obrotowy silnika molekularnego w roztworze jest pokazany za pomocą technik spektroskopii absorpcyjnej 1H NMR i UV-vis. Ponadto opisano metodę szczepienia silnika na kwarcu pokrytym aminami. Metoda ta pomaga uzyskać lepszy wgląd w maszyny molekularne.

Wprowadzenie

W organizmach żywych istnieje wiele silników molekularnych, które podtrzymują codzienne życie. Są w stanie wykonywać różne zadania, takie jak produkcja paliwa, transport, mobilność itp.1. Czerpiąc inspirację z tych fascynujących przykładów w Nature, naukowcy opracowali w ciągu ostatnich kilku dekad serię sztucznych silników molekularnych, które przekształcają różne rodzaje energii w kontrolowany ruch na poziomie molekularnym2,3,4,5,6,7,8,9,10. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2016 roku otrzymało trzech pionierów w tej dziedzinie. Ben Feringa, jeden z laureatów, opracował napędzany światłem silnik molekularny, który jest w stanie podlegać ciągłemu, jednokierunkowemu ruchowi obrotowemu.

Jednak na poziomie molekularnym, ruch Browna, znany również jako losowy ruch spowodowany molekularnymi zderzeniami i wibracjami, jest zazwyczaj główną przeszkodą dla dalszego zastosowania tych silników molekularnych. Ruch Browna może zakłócić każdy ruch kierunkowy. Ograniczenie silników molekularnych na powierzchniach może być jedną z opcji przezwyciężenia tego problemu. W ten sposób względna rotacja jednej części cząsteczki względem drugiej jest przekształcana na bezwzględną rotację wirnika względem powierzchni11. Ponadto zastosowanie techniki obrazowania jednocząsteczkowego może pomóc w wizualizacji ruchu. W związku z tym wyniki uzyskane w ramach tej pracy pomogą uzyskać więcej informacji na temat syntetycznego silnika molekularnego.

Pionierska praca Yoshidy i Kinosity (Rysunek 2a)12,13 posłużyła jako inspiracja dla projektu w obecnej pracy, pokazanej na rysunku 2b. Dolna połowa napędzanego światłem silnika molekularnego jest przymocowana do powierzchni, aby służyć jako stojan. Część wirnika jest funkcjonalizowana sztywnym ramieniem i fluorescencyjną etykietą. Po zastosowaniu dwóch różnych długości fal napromieniowania do systemu, jedna z nich wyzwoli obrót silnika, podczas gdy druga wzbudzi znacznik fluorescencyjny. Zasadniczo ruch obrotowy części wirnika wyzwala obrót grupy fluorescencyjnej. W związku z tym obrót znacznika fluorescencyjnego może być śledzony przez rozogniskowaną mikroskopię fluorescencyjną w szerokim polu. Metoda ta po raz pierwszy zapewnia metodę przekształcania względnej rotacji silnika molekularnego w rotację bezwzględną, a tym samym sposób wizualizacji obrotu silnika syntetycznego.

Ten artykuł zawiera szczegóły dotyczące projektowania, całkowitej syntezy i badań izomeryzacji roztworu silnika molekularnego, który jest używany do obrazowania pojedynczych molekularnych. Strukturę molekularną pokazano na rysunku 3. Ponadto opisano metodę mocowania silników molekularnych do powierzchni kwarcu.

Protokół

UWAGA: Synteza organiczna jest głównym rdzeniem tego projektu. Rysunek 1 pokazuje kluczowe kroki i sposób uzyskania docelowej cząsteczki.

1. Przygotowanie 1b

UWAGA: Rozpuszczalniki zostały zakupione w klasie analitycznej.

  1. Synteza ketonu (3)
    UWAGA: Na początku pięcioczłonowy keton pierścieniowy 2 z grupą jodo jest funkcjonalizowany, ponieważ jest bardziej reaktywny. Reakcja ta odbywa się w atmosferze argonu.
    1. W szczelnie zamkniętej probówce (100 ml) zawierającej 2 (640 mg, 2,3 mmol), CuI (219 mg, 1,1 mmol) i NaI (3,44 g, 23 mmol) dodać 1,4-dioksan (50 ml) i N,N'-dimetyloetylenodiaminę (202 mg, 2,3 mmol).
    2. Ustawić temperaturę reakcji na 140 °C i mieszać przez 24 godziny.
    3. Schłodzić mieszaninę do temperatury pokojowej (RT), usunąć rozpuszczalnik w próżni i oczyścić pozostały materiał metodą chromatografii błyskawicznej: SiO2 (40 g); eluent: pentan: EtOAc = 10:1 (łącznie = 550 ml). Produkt powinien być otrzymywany w postaci żółtego, lepkiego oleju (642 mg, 91%).
  2. Synteza silnika 5
    UWAGA: Użyj reakcji Bartona-Kellogga, aby utworzyć centralne wiązanie podwójne. Ta reakcja odbywa się pod argonem.
    1. W kolbie okrągłodennej o pojemności 50 ml dodać odczynnik Lawsassona (415 mg, 1,1 mmol), keton 3 (219 mg, 0,68 mmol) i toluen (10 ml).
    2. Podgrzewać mieszaninę pod chłodnicą zwrotną przez 2 godziny, a następnie odparować rozpuszczalnik.
    3. Oczyścić pozostałość za pomocą kolumny błyskowej: SiO2 (24 g), eluent: pentan: octan etylu = 30:1 (łącznie = 155 ml) w celu otrzymania odpowiedniego tioketonu, który następnie rozpuszcza się ponownie w 20 ml THF w celu uzyskania niebieskiego roztworu.
    4. Dodać roztwór THF (20 ml) związku diazowego 4 (476 mg, 1,37 mmol) do niebieskiego roztworu i mieszać nowo wymieszany roztwór w temperaturze 50 °C przez noc.
      UWAGA: Jest to najważniejszy etap całej syntezy. Związek diazowy i roztwór tioketonu muszą być świeże i powinny być wykonane przed reakcją.
    5. Odparować rozpuszczalnik i oczyścić pozostałość metodą chromatografii: SiO2 (24 g), eluent: pentan: CH2Cl2 = 10:1 (łącznie = 220 ml), aby uzyskać silnik 5 (250 mg, 50%) w postaci czerwonego ciała stałego.
  3. Synteza silnika 6
    UWAGA: Po utworzeniu centralnego podwójnego wiązania zastąp grupę jodo ugrupowaniem acetylenowo-akcyjnym.
    1. Do probówki Schlenka o pojemności 20 ml dodać 3 (165 mg, 0,26 mmol), Pd(PPh3)2Cl2 (2,5 mola%), CuI (5 mol%). Następnie dodaj THF (10 ml) i (i-Pr)2NH (2 ml), które powinny być bąbelkowane argonem przez 10 minut wcześniej.
    2. Mieszaj mieszaninę w temperaturze pokojowej przez 10 minut. Następnie dodać triizopropylosililos acetylen (42 mg, 0,27 mmol).
    3. Mieszaj mieszaninę przez 15 godzin, a następnie wlej ją do nasyconego roztworu wodnego NH4Cl (25 ml).
    4. Ekstrahować mieszaninę za pomocą CH2Cl2 (3 x 20 ml). Połączone warstwy organiczne należy następnie przepłukać nasyconą solanką i wysuszyć (Na2SO4).
    5. Usunąć rozpuszczalnik i oczyścić pozostałość metodą chromatografii błyskawicznej: SiO2 (12 g), eluent: pentan: CH2Cl2 = 10:1 (220 ml), aby otrzymać 8 w postaci brązowego oleju (171 mg, 99%).
  4. Synteza silnika 8
    UWAGA: Ta reakcja odbywa się pod wpływem argonu.
    1. Wymieszać mieszaninę 6 (161 mg, 0,24 mmol), estru pinakolu 7 (240 mg, 0,71 mmol),K3PO4 (300 mg, 1,44 mmol) i Pd(PPh3)4 (98 mg, 0,096 mmol) w 1,4dioksanie (20 mL) w temperaturze 90 °C w 50 ml probówce Schlenka przez 16 godzin.
    2. Schłodzić mieszaninę do temperatury pokojowej, rozcieńczyć octanem etylu (30 ml) i przeprowadzić filtrację za pomocą szklanego filtra.
    3. Usunąć rozpuszczalnik. Oczyścić pozostałość metodą chromatografii kolumnowej błyskawicznej: SiO2 (12 g), eluent: pentan: CH2Cl2 = 1:6 (łącznie = 122 ml) do uzyskania estru 8 w postaci brązowego oleju (156 mg, 56%).
  5. Synteza motorycznej 9
    1. Dodać TBAF (0,1 ml) do roztworu 8 (120 mg, 0,13 mmol) w THF (10 ml) w 20 ml probówce Schlenka w temperaturze 0 °C.
    2. Mieszać mieszaninę w temperaturze 0 °C przez 1 godzinę, a następnie przelać ją do nasyconego roztworu wodnego NH4Cl (20 ml).
    3. Po ekstrakcji CHCl3 (3 x 10 ml) połączone warstwy organiczne przepłukać nasyconą solanką i wysuszyć (Na2SO4).
    4. Usunąć rozpuszczalnik i oczyścić pozostałość metodą chromatografii błyskawicznej: SiO2 (12 g), eluent: pentan: octan etylu = 1:3 (124 ml), aby otrzymać 9 w postaci ciemnoczerwonego oleju (116 mg, 95%).
  6. Synteza silnika 12
    UWAGA: Ta reakcja odbywa się pod wpływem argonu.
    1. Do probówki Schlenka o pojemności 20 ml dodać silnik 9 (75 mg, 0,10 mmol), PBI 11 (68 mg, 0,10 mmol) Pd(PPh3)2Cl2 (2,5 mol%), CuI (5 mol%). Następnie dodaj THF (10 ml) i (i-Pr)2NH (2 ml), które powinny być bąbelkowane argonem przez 10 minut wcześniej.
    2. Mieszaj mieszaninę przez noc i wlej ją do nasyconego roztworu wodnego NH4Cl.
    3. Po ekstrakcji CHCl3 (3 x 20 ml) przepłukać połączone warstwy organiczne nasyconą solanką i wysuszyć (Na2SO4).
    4. Usunąć rozpuszczalnik i oczyścić pozostałość metodą chromatografii błyskawicznej: SiO2 (12 g), eluent: CHCl3 (100 ml), aby uzyskać silnik 12 w postaci ciemnoczerwonego ciała stałego (66 mg, 57%).
  7. Synteza silnika 1b
    UWAGA: Po otrzymaniu związku estrowego należy go zhydrolizować, aby uzyskać ostateczną cząsteczkę docelową.
    1. Rozpuścić ester 12 (90 mg, 0,038 mmol) w THF (5 ml), MeOH (5 ml) i NaOH(aq.) (1 M, 5 mL) w kolbie o pojemności 50 ml i podgrzewać mieszaninę do temperatury 75 °C przez 16 godzin.
    2. Schłodzić mieszaninę do temperatury suchej temperatury i dodać 5 ml wody. Usuń THF i MeOH przez odparowanie obrotowe.
    3. Miareczkować mieszaninę HCl(aq.) (1 M) aż do osiągnięcia pH 1 w celu wytrącenia brązowego osadu. Przefiltrować mieszaninę i przemyć brązową substancję stałą zimną wodą (10 ml) i wysuszyć w próżni. To brązowe ciało stałe jest cząsteczką docelową 1b (55 mg, 85%).

2. Przygotowanie monowarstwy MS-1b funkcjonalizowanej silnikiem

  1. Szkiełka kwarcowe należy oczyścić, zanurzając je w roztworze piranii (stosunek 3:7 30%H2O2wH2SO4) w temperaturze 90 °C przez 1 h. Spłukać obficie wodą podwójnie destylowaną 3x, a następnie spłukać MeOH. Wysuszyć szkiełka pod strumieniem N2 przed modyfikacją powierzchni.
  2. Sylianizować szkiełka kwarcowe oczyszczone przez piranię, zanurzając je w 1 mM roztworze 3-aminopropylo(dietoksy)metylosilanu w świeżo destylowanym toluenie w temperaturze pokojowej przez 12 godzin. Spłukać obficie toluenem i MeOH.
  3. Sonikować kwarc najpierw w toluenie, a następnie w MeOH i suszyć je pod strumieniem argonu.
  4. Zanurzyć szkiełka pokryte aminami w roztworze DMF 1b (10-4 M) przy temperaturze pokojowej na 12 godzin.
  5. Umyj szkiełka DMF, wodą i MeOH, a następnie wysusz je pod strumieniem argonu. Po wyschnięciu szkiełka są gotowe do użycia.

Wyniki

Naświetlanie silnika molekularnego przeprowadza się światłem UV (λmax = 365 nm). Po naświetleniu następuje fotoindukowana izomeryzacja E-Z wokół centralnej wiązani podwójnej. W trakcie tego procesu cząsteczka przekształca się z izomeru stabilnego w niestabilny. Następnie następuje termicznie aktywowany etap inwersji helisy, aby rozładować naprężenia całej cząsteczki. Prowadzi to do powrotu do pierwotnego stanu stabilnego. Następnie wykorzystuje się spektroskopię 1H NMR do oceny procesu rotacji (Rycyna 4a). Roztwór próbki przygotowuje się w probówce do NMR, a następnie obok probówki umieszcza się lampę UV (λmax = 365 nm). Po 2 h naświetlania w widmie 1H NMR można zaobserwować wyraźne zmiany. Zmiany te wskazują na powstanie nowego izomeru, który uznaje się za niestabilny-1b (Rycina 4b). W spektroskopii 1H NMR widać, że Ha przesuwa się z 2,9 ppm (dublet) na 3,3 ppm (dublet dubletów). Sygnał przy 1,4 ppm można przypisać absorpcji grupy metylowej, który przesuwa się w kierunku niskich pól z 1,4 ppm do 1,6 ppm. Gdy próbka jest przechowywana przez noc w temperaturze pokojowej w ciemności, można odzyskać pierwotne widmo (Rycina 4a). Wskazuje to na proces termicznej inwersji helisy, która przekształca formę niestabilną-1b w stabilną-1b.

Aby zbadać ruch obrotowy silnika 1b na powierzchniach, przygotowuje się zestawy silników przytwierdzonych do powierzchni MS-1b (MS = motor on surfaces). Szkliwca kwarcowe są najpierw funkcjonalizowane aminą. Po tym kroku kwarc jest zanurzony w roztworze 1b w DMF (10-4 M) w RT przez noc. Powstały kwarc płucze się DMF, wodą i MeOH. Przygotowane szkiełka kwarcowe są następnie poddawane badaniom UV/vis. Widmo absorpcyjne UV/vis dla MS-1b (linia ciągła) przedstawiono na Rysunku 5b. Jak widać na widmie, główny pas absorpcji i profil absorpcji są podobne do tych obserwowanych w roztworze (Rysunek 5a). Widoczne są również charakterystyczne absorpcje dla silnika (420 nm) i PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Piki te sugerują pomyślne przytwierdzenie silnika 1b do powierzchni powlekanych aminą. Dodatkowo szkiełko kwarcowe jest naświetlane przez 15 min i obserwuje się zmiany widmowe podobne do tych w roztworze, co wskazuje na generowanie niestabilnego MS-1b.

figure-results-1
Rysunek 1: Schemat syntezy w kierunku otrzymania cząsteczki docelowej 1b. Schemat przedstawia odczynniki, rozpuszczalniki i warunki reakcji zastosowane w każdym etapie. 

figure-results-2
Rysunek 2: (a) Schematyczna ilustracja struktury F0F1-ATPase osadzonej na powierzchni w celu wizualizacji rotacji jednokierunkowej (reprodukowano za zgodą12). (b) Koncepcyjny projekt syntetycznego, związanego z powierzchnią, napędzanego światłem molekularnego silnika do obrazowania pojedynczych cząsteczek. 

figure-results-3
Rysunek 3: Struktura związanego z powierzchnią silnika molekularnego 1b, posiadającego sztywne długie ramię pomiędzy rdzeniem silnika a znacznikiem PBI. 

figure-results-4
Rysunek 4: Obszar alifatyczny widm 1H-NMR motoru 1b (CD2Cl2, -20 °C, c = 10-3 M) (a) stable-1b, przed naświetlaniem (365 nm). (b) Mieszanina w fotostacjonarnym stanie po naświetlaniu. Aby wyświetlić większą wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

figure-results-5
Rycina 5: Widma absorpcji UV/vis. Widma absorpcji UV/vis (a) motora 1b (CH2Cl2, 0 °C), izomeru stabilnego (linia ciągła) i izomeru niestabilnego (linia przerywana) w stanie stacjonarnym (PSS). (b) MS-1b (kwarc, 4 °C) przed (linia ciągła) i po (linia przerywana) naświetlaniu. 

Dyskusja

Projekt ten wiąże się ze znaczną ilością pracy syntetycznej; Dlatego najważniejszym krokiem jest synteza organiczna w kierunku cząsteczki końcowej. Wśród całkowitej syntezy kluczowym krokiem jest reakcja Bartona-Kellogga, ponieważ jest to reakcja, w której powstaje centralne podwójne wiązanie silnika molekularnego. Obecnie do tworzenia tego typu konstrukcji stosuje się kilka metod. Tutaj stosuje się sprzężenie diazo-tioketonowe, a górna i dolna połowa zostały przygotowane odpowiednio jako związki diazowe i tioketonowe. Związki tioketonu i diazu zwykle nie są stabilne pod powietrzem; W związku z tym reakcja wymaga szybkiego działania w atmosferze ściśle obojętnej.

Istniejące metody ograniczania silników molekularnych na powierzchniach opierają się głównie na układach dwunożnych. Jednak procesy izomeryzacji wcześniej zaprojektowanych silników dwunożnych były utrudnione z powodu oddziaływań międzycząsteczkowych. Ponadto, niektóre przykłady dwójnogów wymagają dalszej aktywacji przed przyczepieniem. Obecna metoda osiąga to w sposób czworonopalny, co zapewnia solidne mocowanie silnika na powierzchniach o wystarczającej izolowanej przestrzeni.

Ograniczeniem tej metody jest wybór znacznika fluorescencyjnego. Dozwolone są tylko barwniki o określonych długościach fal, ponieważ obrót silnika jest wyzwalany przez długość fali 365 nm, a zatem nie powinien się na siebie nakładać. Ponadto droga syntezy zastosowana w opisanym protokole w kierunku cząsteczki docelowej wymaga kilku etapów, w których do zakończenia reakcji potrzebne są trudne warunki. W przyszłości prawdopodobnie potrzebna będzie bardziej prosta konstrukcja syntetyczna, jeśli wymagana jest bardziej zaawansowana cząsteczka do obrazowania pojedynczej cząsteczki.

Podsumowując, po raz pierwszy opisano projekt i syntezę wysoce funkcjonalizowanego silnika molekularnego napędzanego światłem. Omówiono również niektóre szczegóły dotyczące wysiłku syntetycznego. Ponadto zademonstrowano metody szczepienia silnika na powierzchni szkiełka kwarcowego, a próbka może być dalej testowana w celu wizualizacji ruchu pojedynczej cząsteczki14.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana finansowo przez Holenderską Organizację Badań Naukowych (NWO-CW), Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC; grant dla zaawansowanych nr 694345 dla B.L.F.) oraz Ministerstwo Edukacji, Kultury i Nauki (program Gravitation nr 024.001.035).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Spektrometr NMRVarianAMX400do badania protonów nmr
Odczynnik do reakcji organicznychOdczynnikklasy analitycznejdo reakcji organicznych
Żel krzemionkowy ChromatografiaASTM o siatce Merck 230-400 
Klasa spektrofotometrycznarozpuszczalnikaAcrosChromatografia błyskowa 
Lampa UVENB280Cdo nasycania UV-vis
Spektrofotometr absorpcyjny UV-visJASCOV-630 Pomiar UV-vis
Sigma flash  

Bibliografia

  1. Berg, J. M., Tynoczko, J. L., Styer, L. Biochemistry 5th ed. , W.H. Freeman. New York. (2006).
  2. Erbas-Cakmak, S., Leigh, D. A., McTernan, C. T., Nussbaumer, A. L. Artificial Molecular Machines. Chemical Reviews. 115, 10081-10206 (2015).
  3. Feringa, B. L. The Art of Building Small: From Molecular Switches to Motors. Angewandte Chemie: International Edition. 56, 11059-11078 (2017).
  4. Stoddart, J. F. Molecular Machines. Accounts of Chemical Research. 34, 410-411 (2001).
  5. Kinbara, K., Aida, T. Toward Intelligent Molecular Machines: Directed Motions of Biological and Artificial Molecules and Assemblies. Chemical Reviews. 105, 1377-1400 (2005).
  6. Kay, E. R., Leigh, D. A., Zerbetto, F. Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines. Angewandte Chemie: International Edition. 46, 72-191 (2007).
  7. Kottas, G. S., Clarke, I. L., Horinek, D., Michl, J. Artificial Molecular Rotors. Chemical Reviews. 105, 1281-1376 (2005).
  8. Watson, M. A., Cockroft, S. L. Man-made Molecular Machines: Membrane Bound. Chemical Society Reviews. 45, 6118-6129 (2016).
  9. Kassem, S., et al. Artificial Molecular Motors. Chemical Society Reviews. 46, 2592-2621 (2017).
  10. Sauvage, J. P. Molecular Machines and Motors. , Springer. Berlin. (2001).
  11. van Delden, R. A., et al. Unidirectional molecular motor on a gold surface. Nature. 437, 1337-1340 (2005).
  12. Noji, H., Yasuda, R., Yoshida, M., Kinosita, K. Jr Direct observation of the rotation of F1-ATPase. Nature. 386, 299-302 (1997).
  13. Hutchison, J. A., et al. A surface-bound molecule that undergoes optically biased Brownian rotation. Nature Nanotechnology. 9, 131-136 (2014).
  14. Krajnik, B., et al. Defocused Imaging of UV-Driven Surface-Bound Molecular Motors. Journal of the American Chemical Society. 139, 7156-7159 (2017).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Synteza molekularnego silnikaspektroskopia UV visanaliza NMR protonowegofunkcjonalizacja powierzchni kwarcukwarc powlekany aminamiczyszczenie roztworem piranhaoczyszczanie za pomoc chromatografii b yskawicznejwizualizacja zwi zku silnikowego

Powiązane artykuły