Licht gestuurde moleculaire motoren op oppervlakken voor één moleculaire beeldvorming

Chemistry
 

Summary

Het manuscript wordt beschreven hoe synthetiseren en enten van een moleculaire motor op oppervlakken voor één moleculaire beeldvorming.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Het ontwerp en de synthese van een synthetische systeem dat tot doel voor de directe visualisatie van een synthetische roterende motor op het niveau van één molecuul op oppervlakken heeft worden gedemonstreerd. Dit werk vereist zorgvuldige ontwerp, synthetische inspanning en juiste analyse. De roterende beweging van de moleculaire motor in oplossing blijkt uit 1H NMR en UV-vis Absorptie spectroscopie technieken. Bovendien, wordt de methode voor het enten van de motor op een amine beklede kwarts beschreven. Deze methode helpt meer inzicht in de moleculaire machines.

Introduction

In levende organismen zijn er overvloedige moleculaire motoren functioneren om het dagelijkse leven. Zij kunnen verschillende taken uitvoeren zoals brandstof productie, vervoer, mobiliteit, etc.1. Tekening uit de inspiratie van deze fascinerende voorbeelden in de natuur, hebben wetenschappers ontwikkeld, een reeks van kunstmatige moleculaire motoren in de afgelopen decennia verschillende soorten energie omzetten in gecontroleerde beweging op het moleculaire niveau2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10. the Nobel Prize in Chemistry in 2016 werd toegekend aan drie Pioniers op dit gebied. Ben Feringa, een van de laureaten, heeft de licht gestuurde moleculaire motor welk vermag ondergaan continue unidirectionele roterende beweging ontwikkeld.

Echter, op een moleculair niveau, Brownse beweging, ook bekend als de willekeurige beweging als gevolg van moleculaire botsingen en trillingen, is meestal het belangrijkste obstakel voor verdere toepassing van deze moleculaire motoren. Brownse beweging kan een gerichte beweging verstoren. De moleculaire motoren op oppervlakken te beperken, mag een van de opties om dit probleem te overwinnen. Door dit te doen, wordt de relatieve rotatie van een deel van het molecuul met betrekking tot de andere geconverteerd naar de absolute rotatie van de rotor ten opzichte van de oppervlakte11. Daarnaast kan gebruik van de interne moleculaire beeldvorming techniek helpen visualiseren van de ontwerpresolutie. Dus, de resultaten van dit werk zal helpen meer inzicht in de synthetische moleculaire motor.

Het pionierswerk van Jansen en Kinosita (Figuur 2a)12,13 heeft gediend als inspiratie voor het ontwerp in het huidige werk, getoond in Figuur 2b. De onderste helft van een licht gestuurde moleculaire motor is gekoppeld aan een oppervlak om te dienen als de stator. Het deel van de rotor is matiemaatschappij met een stijve arm en fluorescerende label. Wanneer twee verschillende bestraling golflengten op het systeem toepassen, zal een de rotatie van de motor, trigger terwijl anderzijds de fluorescerende tag zal prikkelen. In principe leidt de roterende beweging van de rotor deel de rotatie van de fluorescerende groep. Dus, de rotatie van de TL-tag kan worden gevolgd door intreepupil breed-gebied fluorescentie microscopie. Deze methode biedt, voor de eerste keer, een methode voor het omzetten van de relatieve rotatie van een moleculaire motor in absolute draaihoek, en dus een manier om te visualiseren van de rotatie van een synthetische motor.

Dit artikel bevat details over het ontwerp, totale synthese en oplossing isomerisatie studies van een moleculaire motor die wordt gebruikt voor één moleculaire beeldvorming. De moleculaire structuur is afgebeeld in Figuur 3. Bovendien, wordt de methode voor het koppelen van moleculaire motoren op quartz oppervlak beschreven.

Protocol

Opmerking: Organische synthese is de belangrijke kern van dit project. Figuur 1 toont de belangrijkste stappen en het verkrijgen van de doelmolecule.

1. bereiding van 1b

Opmerking: Oplosmiddelen in p.a. hebt gekocht.

  1. Synthese van aldehyde (3)
    Opmerking: Op het eerste, een vijf-lid ring keton 2 met een Jood-groep is matiemaatschappij omdat het reactiever. Deze reactie wordt uitgevoerd onder argon sfeer.
    1. In een verzegelde buis (100 mL) met 2 (640 mg, 2,3 mmol), CuI (219 mg, 1.1 mmol) en NaI (3,44 g, 23 mmol) toe te voegen 1,4-dioxaan (50 mL) en N, N'-dimethyl ethyleendiamine (202 mg, 2,3 mmol).
    2. Instellen van de reactie temperatuur tot 140 ° C en roer gedurende 24 uur.
    3. Koel het mengsel tot kamertemperatuur (RT), verwijder het oplosmiddel in vacuüm en het zuiveren van het resterende materiaal door flash chromatografie: SiO2 (40 g); Eluens: pentaan: EtOAc 10:1 = (totaal = 550 mL). Het product moet worden verkregen als een gele, kleverige olie (642 mg, 91%).
  2. Synthese van motor 5
    Opmerking: Gebruik de Barton-Kellogg-reactie om de centrale dubbele binding te vormen. Deze reactie wordt uitgevoerd onder argon.
    1. In een rondbodemkolf 50 mL toevoegen Lawessons reagens (415 mg, 1.1 mmol), keton 3 (219 mg, 0.68 mmol) en tolueen (10 mL).
    2. Verwarm het mengsel op de Terugvloeiing voor 2 h en daarna het oplosmiddel te verdampen.
    3. Zuiveren van het residu op flash kolom: SiO2 (24 g), eluens: pentaan: ethylacetaat = 30: 1 uit (totaal = 155 mL) voor het overeenkomstige thioketon, die vervolgens in 20 mL THF opleveren van een blauwe oplossing is redissolved.
    4. Voeg een THF-oplossing (20 mL) van diazo samengestelde 4 (476 mg, 1.37 mmol) toe aan de blauwe oplossing, en roer de nieuwe gemengde oplossing bij 50 ° C's nachts.
      Opmerking: Dit is de meest cruciale stap voor de gehele synthese. De diazo compound en thioketon oplossing moet vers zijn en moet worden gemaakt vóór de reactie.
    5. Het oplosmiddel te verdampen en het residu zuiveren door chromatografie: SiO2 (24 g), eluens: pentaan: CH2Cl2 = 10:1 (totaal = 220 mL) aan het rendement van de motor 5 (250 mg, 50%) Als een rode vaste stof.
  3. Synthese van motor 6
    Opmerking: Als de centrale dubbele binding is gevormd, vervangen de Jood-groep door een acetyleen-groep.
    1. Voeg een 20 ml Schlenk buis, 3 (165 mg, 0,26 mmol), Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 mol %), CuI (5 mol %). Voeg vervolgens THF (10 mL) en (Ik-Pr)2NH (2 mL) die moet worden borrelen met argon voor 10 minuten vóór.
    2. Roer het mengsel op RT gedurende 10 minuten. Dan, voeg triisopropylsilyl acetyleen (42 mg, 0,27 mmol).
    3. Roer het mengsel voor 15u en giet het in een waterige verzadigde NH4Cl oplossing (25 mL).
    4. Pak het mengsel met CH2Cl2 (3 x 20 mL). Verder was de gecombineerde organische lagen met verzadigde pekel en droog (nb2SO4).
    5. Verwijder het oplosmiddel en het residu zuiveren door flash chromatografie: SiO2 (12 g), eluens: pentaan: CH2Cl2 = 10:1 (220 mL) om het rendement van 8 als een bruine olie (171 mg, 99%).
  4. Synthese van motor 8
    Opmerking: Deze reactie is uitgevoerd onder argon.
    1. Roer een mengsel van 6 (161 mg, 0,24 mmol), pinacol ester 7 (240 mg, 0.71 mmol), K3PO4 (300 mg, 1,44 mmol) en Pd (PPh3)4 (98 mg, 0.096 mmol) in 1, 4dioxane (20 mL) bij 90 ° C in een 50 mL Schlenk buis voor 16 h.
    2. Koel het mengsel aan RT, Verdun het met ethylacetaat (30 mL), en de filtratie uit te voeren met een glas, filter.
    3. Verwijder het oplosmiddel. Het residu zuiveren door flash kolom-chromatografie: SiO2 (12 g), eluens: pentaan: CH2Cl2= 1:6 (totaal = 122 mL) opbrengst van ester 8 als een bruine olie (156 mg, 56%).
  5. Synthese van motor 9
    1. TBAF (0,1 mL) toevoegen aan een oplossing van 8 (120 mg, 0.13 mmol) in THF (10 mL) in een 20 mL Schlenk buis bij 0 ° C.
    2. Roer het mengsel bij 0 ° C gedurende 1 uur, vervolgens giet het in een waterige verzadigde NH4Cl oplossing (20 mL).
    3. Na extractie met CHCl3 (3 x 10 mL), het wassen van de gecombineerde organische lagen met verzadigde pekel en droog (nb2SO4).
    4. Verwijder het oplosmiddel en het residu zuiveren door flash chromatografie: SiO2 (12 g), eluens: pentaan: ethylacetaat = 1:3 (124 mL) om opbrengst 9 als een donker rode olie (116 mg, 95%).
  6. Synthese van motor 12
    Opmerking: Deze reactie is uitgevoerd onder argon.
    1. Toevoegen aan een 20 mL Schlenk buis, motor 9 (75 mg, 0.10 mmol) PBI 11 (68 mg, 0.10 mmol) Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 mol %), CuI (5 mol %). Voeg vervolgens THF (10 mL) en (Ik-Pr)2NH (2 mL) die moet worden borrelen met argon voor 10 minuten vóór.
    2. Roer het mengsel 's nachts en giet het in een waterige verzadigde NH4Cl oplossing.
    3. Na extractie met CHCl3 (3 x 20 mL), het wassen van de gecombineerde organische lagen met verzadigde pekel en droog (nb2SO4).
    4. Verwijder het oplosmiddel en het residu zuiveren door flash chromatografie: SiO2 (12 g), eluens: CHCl3 (100 mL) motor 12 opleveren als een solide donkerrood (66 mg, 57%).
  7. Synthese van motor 1b
    Opmerking: Wanneer de ester compound is verkregen, gehydrolyseerd om het einddoel-molecuul.
    1. Los van de ester 12 (90 mg, 0.038 mmol) in THF (5 mL), MeOH (5 mL) en NaOH(aq.) (1 M, 5 mL) in een maatkolf van 50 mL en verwarm het mengsel tot 75 ° C voor 16 h.
    2. Koel het mengsel aan RT en voeg 5 mL water toe. Verwijder de THF en MeOH roterende verdamping.
    3. Titreer het mengsel met HCl(aq.) (1 M) tot het bereiken van een pH van 1 tot en met een bruin neerslag vormen. Het mengsel filtraat en was de bruine vaste stof met koud water (10 mL) en droog onder vacuüm. Deze bruine vaste stof is de doelgroep molecuul 1b (55 mg, 85%).

2. voorbereiding van de motor matiemaatschappij enkelgelaagde MS-1b

  1. Kwarts dia's schoon door ze onder te dompelen in een piranha-oplossing (3:7 verhouding 30% H2O2 in H2SO4) bij 90 ° C gedurende 1 h. Rinse aangenomen met dubbel gedestilleerd water 3 x, dan spoelen met MeOH. Droog de dia's onder een stroom van N2 voordat oppervlakte modificatie.
  2. Silanize de piranha-gereinigd quartz glijdt door het onder te dompelen in een oplossing van 1 mM van 3-aminopropyl (diethoxy) methylsilaan in vers gedestilleerd tolueen op RT voor 12 h. Rinse aangenomen met tolueen en MeOH.
  3. Bewerk ultrasone trillingen ten de quartz eerst in tolueen, en vervolgens in MeOH en droog ze onder een stroom van argon.
  4. Dompel de amine beklede dia's in DMF oplossing 1b (10-4 M) op RT tot 12u.
  5. Wassen van de dia's met DMF, water en MeOH, dan drogen ze onder een stroom van argon. Na het drogen zijn de dia's klaar voor gebruik.

Representative Results

Bestraling van de moleculaire motor wordt uitgevoerd met UV-licht (λmax = 365 nm). Na bestraling, een foto-geïnduceerde E-Z isomerisatie rond de centrale dubbele binding treedt op. Tijdens dit proces is de molecule uit een stal omgezet naar een unstable isomeer. Een thermisch geactiveerd helix inversie stap volgt dan om de spanning van het hele molecuul vrij te geven. Dit resulteert in de originele stabiel staat. 1 H NMR spectroscopie wordt vervolgens gebruikt om de roterende proces (figuur 4a) te evalueren. Een oplossing van het monster wordt bereid in een NMR-buis, dan een lamp van UV-licht (λmax = 365 nm) wordt naast de buis geplaatst. Na 2 uur van bestraling, verschillende wijzigingen vindt u in het spectrum van 1H NMR. Deze wijzigingen geven aan het genereren van een nieuwe isomeer die wordt beschouwd als unstable-1b (figuur 4b). Het wordt gezien in de 1H NMR spectroscopie dat Heen van 2,9 ppm (doublet) tot 3,3 ppm (dubbele doublet verschuift). Het signaal met 1,4 ppm kan worden toegewezen als de absorptie van de methylgroep en downfield verschuift dus van 1,4 ppm tot 1.6 ppm. Het monster is's nachts bewaard bij kamertemperatuur in het donker, de oorspronkelijke spectrum kan worden hersteld (figuur 4a). Het geeft aan het proces van de thermische helix-inversie dat unstable-1b naar testing-1b converteert.

Om te bestuderen van de roterende beweging van de motor 1b op oppervlakken, de oppervlak-ingeschrevenen motor assembly's MS-1b (MS = motor op oppervlakken) zijn bereid. De quartz-dia's zijn eerste matiemaatschappij met amine. Na deze stap, is de kwarts ondergedompeld in een oplossing van de DMF (10-4 M) van 1b op RT's nachts. De resulterende quartz is gespoeld met DMF, water en MeOH. De voorbereide kwarts dia's zijn vervolgens voorgelegd voor UV/vis studies. Een UV/vis-absorptiespectrum van MS-1b (vaste lijn) wordt getoond in Figuur 5b. Zoals gezien in het spectrum, zijn de grote absorptie band en het profiel van de absorptie vergelijkbaar met die is waargenomen in de oplossing (figuur 5a). Het toont ook de karakteristieke absorptie voor motor (420 nm) en PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Deze pieken suggereren de succesvolle gehechtheid van motor 1b aan de amine-gecoate oppervlakken. Bovendien, de kwarts dia wordt bestraald gedurende 15 minuten, en spectrale veranderingen die vergelijkbaar is met die van de oplossing, met vermelding van de generatie van de unstable MS-1b worden waargenomen.

Figure 1
Figuur 1 : Synthetische regeling tot de voorbereiding van doel molecuul 1b. De regeling bevat de reagentia, oplosmiddelen en reactie voorwaarden die worden gebruikt in elke stap.

Figure 2
Figuur 2 : (een) Schematische illustratie van de structuur van F0F1-ATPase geënt op een oppervlak voor visualisatie van unidirectionele rotatie (gereproduceerd met toestemming12). (b) conceptontwerp van een synthetische oppervlakte-gebonden licht gestuurde moleculaire motor voor enkel molecuul imaging.

Figure 3
Figuur 3 : Structuur van een oppervlak-gebonden moleculaire motor 1b, rekening houdend met een stijve lange arm tussen de motor kern en de PBI etiket. 

Figure 4
Figuur 4 : Alifatische regio van de 1 H-NMR spectra van motor 1b (CD2Cl2, -20 ° C, c = 10-3 M) (een) testing-1b, voordat de bestraling (365 nm). (b) foto stationaire toestand mengsel na bestraling. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5 : UV/vis absorptiespectra. UV/vis absorptiespectra van (een) motor 1b (CH2Cl2, 0 ° C), stabiele isomeer (vaste lijn) en unstable isomeer (gestippelde lijn) op de PSS. (b) MS-1b (quartz, 4 ° C) voordat (vaste lijn) en na (gestippelde lijn) bestraling.

Discussion

Dit project omvat een aanzienlijke hoeveelheid synthetische werk; Daarom is de meest kritische stap organische synthese op weg naar de definitieve molecule. Onder de totale synthese is de Barton-Kellogg-reactie de belangrijkste stap, want het is de reactie die de centrale dubbele binding van de moleculaire motor wordt gevormd. Op dit moment zijn verschillende methoden gebruikt om deze soorten structuren vormen. Hier, diazo-thioketon koppeling wordt gebruikt, en de bovenste en onderste helften zijn opgesteld als de diazo en thioketon verbindingen, respectievelijk. Thioketon en diazoverbindingen zijn meestal niet stabiel onder lucht; de reactie vereist daarom snel onder de werking van een strikt inerte atmosfeer.

Bestaande methoden beperken van moleculaire motoren op de oppervlakken zijn meestal gebaseerd op bipodal systemen. De processen van de isomerisatie van eerder ontworpen bipodal motoren waren echter belemmerd door Intermoleculaire interacties. Bovendien, sommige van de bipodal voorbeelden vereist verdere activering voorafgaand aan bijlage. De huidige methode maakt dit mogelijk op een tetrapodal manier, die voorziet in robuuste bijlage van de motor over oppervlakken met voldoende geïsoleerde ruimte.

Een beperking van deze methode is de keuze van TL-tag. Alleen de kleurstoffen met specifieke golflengten zijn toegestaan, zoals de rotatie van de motor wordt geactiveerd door de 365 nm golflengte en dus moet niet overlappen. Bovendien vereist de synthetische route werkzaam in de beschreven protocol naar de doelmolecule enkele stappen in die barre omstandigheden zijn nodig voor de voltooiing van de reactie. In de toekomst een meer facile synthetische ontwerp is waarschijnlijk nodig zijn als een meer geavanceerde molecule voor één moleculaire beeldvorming vereist is.

Kortom, wordt het ontwerp en de synthese van een zeer functionalized licht gestuurde moleculaire motor beschreven voor de eerste keer. Sommige details van de synthetische inspanning worden besproken, evenals. Bovendien, methoden voor het enten van de motor op een kwarts dia oppervlak worden gedemonstreerd en het monster kan verder te worden getest voor visualisatie van één moleculaire beweging14.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd financieel ondersteund door de Nederlandse organisatie voor wetenschappelijkonderzoek (NWO-CW), de European Research Council (ERC; geavanceerde subsidie no. 694345 B.L.F.), en het ministerie van onderwijs, cultuur en wetenschap (Gravitation programma neen. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics