Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Işık odaklı moleküler motorlar yüzeylerde tek moleküler görüntüleme için

Published: March 13, 2019 doi: 10.3791/58750
Automatic Translation
1, 1, 1
1Stratingh Institute for Chemistry, University of Groningen

Summary

El yazması, sentez ve tek moleküler görüntüleme için moleküler bir motor yüzeylerde grefti açıklar.

Abstract

Tasarım ve doğrudan görüntüleme yüzeylerinde tek molekül düzeyde sentetik bir döner motor için amaçlayan bir sentetik sistem sentezi gösterilen. Bu eser dikkatli tasarım, önemli sentetik çaba ve uygun analiz gerektirir. Çözümde moleküler motor döner hareket 1H NMR ve UV-VIS Absorpsiyon spektroskopisinin teknikleri tarafından gösterilir. Buna ek olarak, bir amin kaplı kuvars üzerine motorlu grefti yöntemi açıklanmıştır. Bu yöntem moleküler makineler daha fazla anlayış kazanmak için yardımcı olur.

Introduction

Canlı organizmalar, günlük yaşamı sürdürebilmek için işleyen bol moleküler motorlar vardır. Onlar yakıt üretimi, ulaşım, hareketlilik, vb1gibi çeşitli görevleri gerçekleştirmek mümkündür. Doğa büyüleyici Bu örneklerde ilham çizim, bilim adamları yapay moleküler motorlar bir dizi farklı türleri enerji moleküler seviye2 kontrollü hareket haline dönüştürmek için son birkaç on yıl boyunca geliştirdik , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10. 2016 yılında Kimya Nobel Ödülü için bu alandaki üç pioneers layık görüldü. Ben Feringa, Ödülü sahipleri, sürekli tek yönlü döner hareket geçmesi mümkün ışık odaklı moleküler motor geliştirdi.

Ancak, moleküler düzeyde, Albert hareket, olarak da bilinen rastgele hareket nedeniyle moleküler çarpışmalar ve titreşimler, genellikle büyük için daha fazla uygulama bu moleküler motorların engeldir. Albert yönettiği herhangi bir hareket bozabilir. Moleküler motorlar yüzeylerde hapsetmesi bu sorunun üstesinden gelmek için seçeneklerden birini olabilir. Böylece, göreli rotasyon ile ilgili diğer molekülünün bir bölümünün rotor yüzey11göre mutlak dönüşüne dönüştürülür. Buna ek olarak, tek moleküler görüntüleme tekniği kullanılması hareket görselleştirmek yardımcı. Bu nedenle, bu çalışması ile elde edilen sonuçlar sentetik moleküler motor daha fazla anlayış kazanmak için yardımcı olacaktır.

Yoshida ve Kinosita (şekil 2a) çalışmalarını öncü12,13 şekil 2biçinde gösterilen geçerli çalışma tasarım için ilham kaynağı olarak hizmet vermiştir. Işık odaklı moleküler motor alt yarısının stator hizmet etmek bir yüzey bağlı olduğu. Rotor bölümü bir katı kol ve floresan etiketi ile functionalized. Diğer floresan etiketi heyecanlandırmak iken iki farklı ışınlama dalga boylarında sisteme uygularken, bir motor, rotasyon tetikler. Prensip olarak, floresan grup dönüşü rotor parçanın döner hareket tetikler. Bu nedenle, floresan Etiket döndürme ufuk geniş alanlı Floresans mikroskobu tarafından izlenebilir. Bu yöntem, ilk kez bir moleküler motor göreli rotasyon mutlak döndürme ve bu nedenle bir sentetik motor döndürme görselleştirmek için bir yol dönüştürmek için bir yöntem sağlar.

Bu makale Ayrıntılar tasarımı, toplam sentezi ve çözüm isomerization ve çalışmalar tek moleküler görüntüleme için kullanılan bir moleküler motor sağlar. Moleküler yapısı şekil 3' te gösterilmiştir. Buna ek olarak, kuvars yüzeyinde moleküler motorlar eklemek yöntemi açıklanmıştır.

Protocol

Not: Organik sentez bu proje büyük çekirdeğidir. Şekil 1 önemli adımlar ve hedef molekül elde etme görülmektedir.

1. hazırlanması 1b

Not: Maddeleri analitik sınıfta satın alındı.

  1. Keton (3) sentezi
    Not: daha fazla reaktif olduğu için ilk başta iodo bir grupla beş-üyeli halka keton 2 functionalized. Bu reaksiyon argon atmosfer altında yapılır.
    1. 2 (640 mg, 2.3 mmol) içeren bir kapalı tüp içinde (100 mL), CuI (219 mg, 1.1 mmol) ve NaI (3,44 g, 23 mmol), eklemek 1,4-dioxane (50 mL) ve N, N'-Dimetil ethylenediamine (202 mg, 2.3 mmol).
    2. 140 ° C'ye tepki sıcaklığı ayarlamak ve 24 saat için ilave edin.
    3. Oda sıcaklığında (RT) karışıma serin, Çözücü olarak vacuo çıkarmak ve kalan malzeme tarafından flash Kromatografi arındırmak: SiO2 (40 g); eluent: Pentanın: EtOAc 10:1 = (Toplam 550 mL =). Ürün sarı, yapışkan yağ (642 mg, % 91) alınmalıdır.
  2. Motorlu 5 sentezi
    Not: Barton-Kellogg reaksiyon Merkezi çift bağ oluşturmak için kullanın. Bu reaksiyon argon altında yapılır.
    1. 50 mL yuvarlak alt şişeye Lawesson'ın reaktif (415 mg, 1.1 mmol), keton 3 (219 mg, 0,68 mmol) ve toluen (10 mL) ekleyin.
    2. Reflü için 2 h karisimin ısı ve daha sonra çözücü buharlaşır.
    3. Flash sütuna göre kalıntı arındırmak: SiO2 (24 g), eluent: Pentanın: Etil asetat 30:1 = (Toplam 155 mL =) daha sonra 20 mL mavi bir çözüm verim için THF redissolved karşılık gelen thioketone elde edilir.
    4. THF çözüm (20 mL) için bileşik 4 (476 mg, 1,37 mmol) mavi ekleyin ve yeni karışık çözüm gecede 50 ° C'de karıştırın.
      Not: Bu tüm sentezi en önemli adımdır. İçin Bileşik ve thioketone çözüm taze olmalı ve reaksiyon önce yapılmalıdır.
    5. Çözücü buharlaşır ve kalıntı Kromatografi tarafından arındırmak: SiO2 (24 g), eluent: Pentanın: CH2Cl2 = 10:1 (Toplam 220 mL =) motor 5 (250 mg, % 50) vermeye kırmızı bir iyilik.
  3. Motor 6 sentezi
    Not: Merkez çift bağ oluşturulduğunda, bir asetilen yan tarafından iodo grubu değiştirmek.
    1. 3 (165 mg, 0,26 mmol), 20 mL Schlenk tüp için ekleyin Pd (PPh3)2Cl2 (2.5 köstebek %), CuI (5 mol %). Daha sonra THF (10 mL) ekleyin ve (Ben-Pr)210 dk önce için argonla bubbled NH (2 mL).
    2. Karışımı 10 dakikadır RT ilave edin. Daha sonra triisopropylsilyl asetilen (42 mg, 0,27 mmol) ekleyin.
    3. 15 h için karışımı ilave edin, sonra bir sulu doymuş NH4Cl çözüm (25 mL) dökün.
    4. CH2Cl2 (3 x 20 mL) ile karışımı ayıklayın. Daha fazla kombine organik katmanları ile Doymuş tuzlu su ve kuru yıkama (Na2SO4).
    5. Çözücü kaldırmak ve kalıntı tarafından flash Kromatografi arındırmak: SiO2 (12 g), eluent: Pentanın: CH2Cl2 10:1 (220 bir kahverengi yağ (171 mg, % 99) 8 vermeye mL) =.
  4. Motorlu 8 sentezi
    Not: Bu bir tepki argon altında gerçekleştirilir.
    1. 1., 4dioxane 6 (161 mg, 0,24 mmol), pinacol ester 7 (240 mg, 0,71 mmol), K3PO4 (300 mg, 1.44 mmol) ve Pd (PPh3)4 (98 mg, 0,096 mmol) karışımı karıştırın (20 mL) 50 ml Schlenk tüp 16 için 90 ° c h.
    2. Serin RT, karışıma Etil asetat (30 mL) ile sulandırmak ve filtrasyon cam filtre ile gerçekleştirebilirsiniz.
    3. Çözücü kaldırın. Flaş sütun Kromatografi tarafından kalıntı arındırmak: SiO2 (12 g), eluent: Pentanın: CH2Cl2= 1:6 (Toplam 122 mL =) ester 8 bir kahverengi yağ (156 mg, % 56) vermeye.
  5. Motor 9 sentezi
    1. 20 mL 0 ° C'de Schlenk tüp TBAF (0.1 mL) 8 (120 mg, 0,13 mmol) çözümü için THF (10 mL) ekleyin
    2. 1s için 0 ° C'de karışımı ilave edin, sonra bir sulu doymuş NH4Cl çözüm (20 mL) dökün.
    3. CHCl3 (3 x 10 mL) çıkarma sonra kombine organik katmanları ile Doymuş tuzlu su ve kuru yıkama (Na2SO4).
    4. Çözücü kaldırmak ve kalıntı tarafından flash Kromatografi arındırmak: SiO2 (12 g), eluent: Pentanın: Etil asetat 1:9 koyu kırmızı petrol (116 mg, %95) vermeye (124 mL) = 3.
  6. Motor 12 sentezi
    Not: Bu bir tepki argon altında gerçekleştirilir.
    1. Motor 9 (75 mg, 0.10 mmol), 20 mL Schlenk tüp için add PBI 11 (68 mg, 0.10 mmol) Pd (PPh3)2Cl2 (2.5 mol %), CuI (5 mol %). Daha sonra THF (10 mL) ekleyin ve (Ben-Pr)210 dk önce için argonla bubbled NH (2 mL).
    2. Gecede karışımı ilave edin ve bir sulu doymuş NH4Cl çözüm dökün.
    3. CHCl3 (3 x 20 mL) çıkarma sonra kombine organik katmanları ile Doymuş tuzlu su ve kuru yıkama (Na2SO4).
    4. Çözücü kaldırmak ve kalıntı tarafından flash Kromatografi arındırmak: SiO2 (12 g), eluent: (66 mg, % 57) koyu kırmızı sağlam bir motor 12 vermeye CHCl3 (100 mL).
  7. Motor 1b sentezi
    Not: ester bileşik alındığında, son hedef molekül yapmak hidrolize.
    1. Bir 50 mL şişeye ester 12 (90 mg, 0,038 mmol) THF (5 mL), MeOH (5 mL) ve NaOH(AQ) (1 M, 5 mL) dağıtılması ve 75 ° C 16 h için karışım ısı.
    2. RT karışıma serin ve 5 mL su ekleyin. THF ve MeOH tarafından döner buharlaşma kaldırın.
    3. 1-kahverengi küçülmesinihızlandırmalı formu pH erişene dek karışımı HCl(AQ) (1 M) ile titre. Karışımı filtrate ve kahverengi katı (10 mL) soğuk suyla Yıkayıp kurulayın olarak vacuo. Bu kahverengi katı hedef molekül 1b (55 mg, % 85) olduğunu.

2. motor functionalized monolayer MS-1b hazırlanması

  1. Temiz kuvars slaytlar bir piranha çözümde çeker tarafından (3:7 oranı % 30 H2O2 H2SO4) 90 ° c için 1 h. durulama bol suyla iki kat distile 3 x, sonra durulama ile MeOH. Slaytlar altında yüzey modifikasyonu önce N akışı2 kuru.
  2. Silanize piranha temizlenmiş kuvars 3-aminopropyl (diethoxy) methylsilane için 12 h. durulama toluen ve MeOH ile bol RT, taze distile toluen içinde bir 1 mM çözüm çeker slaytlar.
  3. Kuvars ilk toluen, sonra MeOH solüsyon içeren temizleyicide ve argon akışı altında kuru onları.
  4. Amin kaplı slaytlar DMF çözüm 1b (10-4 M), RT 12 h için bırakın.
  5. Slaytlar DMF, su ve MeOH ile yıkayın, sonra onları argon akışı altında kuru. Kuruduktan sonra slaytlar kullanıma hazır bulunmaktadır.

Representative Results

Moleküler motor ışınlama UV ışık ile yapılır (λmax = 365 nm). Işınlama bir fotoğraf kaynaklı EZ isomerization Merkez çift bağ çevresinde oluşur. Bu işlem sırasında molekül bir kararlı kararsız bir izomer dönüştürülür. Bir termal aktif helix inversiyon adım sonra bütün molekül gerginlik serbest bırakmak için izler. Bu orijinal kararlı durumda olur. 1 H NMR spektroskopisi sonra döner işlemi (şekil 4a) değerlendirmek için istihdam edilmektedir. Bir çözüm örnek bir NMR tüp, sonra bir lamba UV ışık hazırlanır (λmax = 365 nm) yanındaki tüp yerleştirilir. Radyoterapi 2 h sonra farklı değişiklikler 1H NMR spektrumu içinde bulunabilir. Bu değişiklikler kararsız-1b (şekil 4b) olarak kabul edilir bir yeni izomer nesil gösterir. Hbir 2.9 ppm (doublet) 3,3 ppm (Çift Kişilik doublet) vardiya 1H NMR spektroskopisi görülmektedir. 1.4 ppm, sinyal metil grubu emilimini atanabilir ve bu sahanın ortasına doğru 1.6 ppm 1.4 ppm kaydırır. Örnek bir gecede karanlık oda sıcaklığında tutulur, özgün spektrum olabilir (şekil 4a) kurtarıldı. Kararsız-1b kararlı-1b için dönüştürür termal helix inversiyon süreci gösterir.

Motor 1b döner hareket eğitim için yüzeyler, yüzey bağlı motor derlemeler MS-1b (MS motorlu yüzeylerde =) hazırlanır. Kuvars slaytlar ilk Amin ile functionalized. Bu adımdan sonra kuvars 1b RT, bir DMF çözüm (10-4 M) gecede batırılır. Sonuç kuvars DMF, su ve MeOH ile durulanır. Hazırlanan kuvars slaytlar sonra UV/vis çalışmaları için gönderilmektedir. MS-1b (düz çizgi) UV/vis soğurma spektrumu şekil 5biçinde gösterilir. Spektrumda da görüldüğü gibi büyük emme band ve emme profili çözüm (şekil 5a) gözlemlenen benzer. Ayrıca motor için karakteristik barıştır gösterir (420 nm) ve PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Bu tepeler motor 1b başarılı eki Amin kaplı yüzeyler için öneririz. Buna ek olarak, kuvars slayt 15 dakikadır ışınlanmış ve spektral değişiklikleri kararsız MS-1b nesil gösteren çözüm için benzer gözlenir.

Figure 1
Resim 1 : Sentetik düzeni hedef molekül 1b hazırlanması doğru. Düzeni reaktifler, çözücüler ve kullanılan reaksiyon koşulları her adımda gösterir.

Figure 2
Resim 2 : (bir) F0F1yapısının şematik çizimde-ATPaz bir yüzeyi tek yönlü rotasyon (izni12ile çoğaltılamaz) görselleştirme için aşılı. (b) sentetik yüzey bağımlı bir kavramsal tasarımını ışık odaklı moleküler motor tek molekül görüntüleme için.

Figure 3
Şekil 3 : Motor çekirdek ve PBI etiket arasında bir katı uzun kol taşıyan yapısı yüzey bağlı moleküler motor 1b. 

Figure 4
Şekil 4 : Alifatik bölgesinin 1 Motor 1b H-NMR spectra (CD2Cl2, -20 ° C, c = 10-3 M) (bir) istikrarlı-1b, Işınlama önce (365 nm). (b) fotoğraf sabit devlet karışımı ışınlama sonra. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5 : UV/vis soğurma spektrumları. UV/vis soğurma spektrumları (bir) motor 1b, (CH2Cl2, 0 ° C), kararlı izomer (düz çizgi) ve PSS, kararsız izomer (kesik çizgi). (b) MS-1b (kuvars, 4 ° C) (düz çizgi) önce ve sonra (kesik çizgi) ışınlama.

Discussion

Bu projenin önemli miktarda sentetik iş içerir; Bu nedenle, en kritik adım doğru son molekül Organik sentez. Moleküler motor Merkez çift bağı kuruldu reaksiyon olduğundan arasında toplam sentezi, Barton-Kellogg tepki önemli bir adım olur. Şu anda, bu tür yapıları oluşturmak için çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Burada, thioketone için kaplin kullanılır ve alt ve üst yarıyı da sırasıyla için ve thioketone bileşikler hazırlanmıştır. Thioketone ve için bileşikleri genellikle hava altında istikrarlı değildir; Bu nedenle, reaksiyon hızlı kesinlikle etkisiz bir atmosfer altında faaliyet gerektirir.

Moleküler motorlar yüzeylerde sınırlamak için varolan yöntemleri çoğunlukla bunIar sistemleri üzerinde temel alır. Ancak, önceden tasarlanmış bunIar motorlar isomerization süreçleri nedeniyle cins etkileşimleri engel. Buna ek olarak, bazı bunIar örnekler gerektirir daha fazla eki önce harekete geçirmek. Geçerli yöntem bu motor sağlam eki yüzeylerde ile yeterli izole alan sağlar tetrapodal bir şekilde gerçekleştirir.

Bu yöntem seçtiğiniz floresan etiketi bir kısıtlamadır. Motorlu dönüşü 365 nm dalga boyları tarafından tetiklenir ve böylece değil örtüşen sadece boya belirli dalga boyu ile izin verilir. Buna ek olarak, hedef molekül doğru açıklanan protokolündeki istihdam sentetik yol sert koşullarına tepki tamamlanması için gerekli birkaç adım gerektirir. Gelecekte, daha gelişmiş bir molekül tek moleküler görüntüleme için gerekli ise bir daha facile sentetik tasarım muhtemelen gereklidir.

Sonuç olarak, tasarım ve son derece functionalized bir ışık odaklı moleküler motor sentezi ilk kez anlatılan. Sentetik çaba bazı ayrıntılarını de ele alınmıştır. Ayrıca, bir kuvars slayt yüzeye motorlu gerek yöntemleri içinde gösterilen ve örnek daha fazla tek moleküler hareket14görselleştirme için test edilebilir.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Bu eser mali bilimsel araştırma (NWO-CW), Avrupa Araştırma Konseyi (ERC; gelişmiş hibe No 694345 B.L.F.) ve Milli Eğitim Bakanlığı, kültür ve bilim için Hollanda kuruluş tarafından desteklenmiştir (yerçekimi program yok. 024.001.035).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Kimya sayı: 145 moleküler motor tek molekül görselleştirme sentez
Işık odaklı moleküler motorlar yüzeylerde tek moleküler görüntüleme için
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chen, J., Vachon, J., Feringa, B. L. … More

Chen, J., Vachon, J., Feringa, B. L. Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging. J. Vis. Exp. (145), e58750, doi:10.3791/58750 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter