Ljus-driven molekylära motorer på ytor för enstaka molekylär avbildning

Chemistry
 

Summary

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

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

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.

Introduction

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.

Protocol

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.

  1. 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.
    1. 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).
    2. Ställa in reaktion temperatur till 140 ° C och rör för 24 h.
    3. 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%).
  2. Syntesen av motor 5
    Obs: Använd Barton-Kellogg reaktionen för att bilda centrala dubbelbindningen. Denna reaktion sker under argon.
    1. 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).
    2. Värm blandningen på reflux för 2 h och därefter avdunsta lösningsmedlet.
    3. 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.
    4. 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.
    5. 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.
  3. Syntesen av motor 6
    Obs: När centrala dubbelbindningen bildas, Ersätt gruppen Jodo av en acetylen biexponentiellt.
    1. 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.
    2. Rör blandningen på RT i 10 min. Lägg sedan till triisopropylsilyl acetylen (42 mg, 0,27 mmol).
    3. Rör blandningen för 15 h och häll det i en vattenlösning mättade NH4Cl lösning (25 mL).
    4. Packa blandningen med CH2Cl2 (3 x 20 mL). Ytterligare tvätta de kombinerade organiska skikt med mättad saltlake och torr (Na2SO4).
    5. 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%).
  4. Syntesen av motor 8
    Obs: Denna reaktion sker under argon.
    1. 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.
    2. Cool blandningen till RT, späd med etylacetat (30 mL) och utföra filtrering med glas filter.
    3. 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%).
  5. Syntesen av motor 9
    1. 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.
    2. Rör blandningen vid 0 ° C för 1 h och häll det i en vattenlösning mättade NH4Cl lösning (20 mL).
    3. Efter extraktion med CHCl3 (3 x 10 mL), tvätta de kombinerade organiska skikt med mättad saltlake och torr (Na2SO4).
    4. 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%).
  6. Syntesen av motor 12
    Obs: Denna reaktion sker under argon.
    1. 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.
    2. Rör blandningen över natten och häll det i en vattenlösning mättade NH4Cl lösning.
    3. Efter extraktion med CHCl3 (3 x 20 mL), tvätta de kombinerade organiska skikt med mättad saltlake och torr (Na2SO4).
    4. 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%).
  7. Syntesen av motor 1b
    Obs: När ester föreningen erhålls, hydrolysera det för att göra slutliga målmolekylen.
    1. 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.
    2. Kyl blandningen till RT och tillsätt 5 mL vatten. Ta bort THF och MeOH genom roterande avdunstning.
    3. 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%).

2. beredning av motor functionalized enskiktslager MS-1b

  1. 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.
  2. 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.
  3. Sonikera kvartarna först i toluen, sedan i MeOH, och torka dem under en ström av argon.
  4. Fördjupa amine-belagd bilder i DMF lösning 1b (10-4 M) på RT för 12 h.
  5. Tvätta i bilderna med DMF, vatten och MeOH, sedan torka dem under en ström av argon. Efter torkning är bilderna klar för användning.

Representative Results

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.

Figure 1
Figur 1 : Syntetiska system mot förberedelsen av målet molekyl 1b. Systemet visar reagenser, lösningsmedel och reaktion villkor som används i varje steg.

Figure 2
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.

Figure 3
Figur 3 : Struktur av en yta-bundna molekylär motor 1b, bär en styv lång arm mellan motorisk kärna och PBI etikett. 

Figure 4
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. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
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.

Discussion

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.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

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).

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