Waiting
Login processing...

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

Chemistry

מונחי-אור המנועים המולקולריים על משטחים עבור יחיד הדמיה מולקולרית

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

Summary

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

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

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.

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

2. הכנת מנוע functionalized טפט MS-1b

  1. 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.
  2. 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.
  3. Sonicate של הקוורץ קודם טולואן ולאחר מכן ב- MeOH, לייבש אותם תחת זרם של ארגון.
  4. לטבול את השקופיות מצופים amine בפתרון DMF 1b (10-4 מ')-RT במשך 12 שעות.
  5. לשטוף את השקופיות עם DMF, מים MeOH, ואז לייבש אותם תחת זרם של ארגון. לאחר הייבוש, השקופיות מוכנים לשימוש.

Representative Results

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.

Figure 1
איור 1 : ערכת סינתטי לקראת הכנת 1b מולקולה היעד. התכנית מציגה את ריאגנטים, ממיסים, תנאי ריאקציה המשמשים בכל שלב.

Figure 2
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.

Figure 3
איור 3 : מבנה השטח מכורך מולקולרית מנוע 1b, הנושאת זרוע ארוכה נוקשה בין מנוע הליבה לבין התווית מפ ל. 

Figure 4
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. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
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.

Discussion

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.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

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).

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

כימיה גיליון 145 מנוע מולקולרי מולקולה בודדת ויזואליזציה סינתזה
מונחי-אור המנועים המולקולריים על משטחים עבור יחיד הדמיה מולקולרית
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