Lys-drevet molekylære motorer på overflader for enkelt molekylær billeddannelse

Chemistry
 

Summary

Håndskriftet beskriver, hvordan at syntetisere og pode molekylære motor på overflader for enkelt molekylær billeddannelse.

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 og syntese af en syntetisk system, der sigter mod den direkte visualisering af en syntetisk roterende motor på enkelt-molekyle niveau på overflader er påvist. Dette arbejde kræver omhyggelige design, store syntetiske indsats og ordentlig analyse. Den roterende bevægelse af den molekylære motor i løsning er vist ved 1H NMR og UV-vis absorption spektroskopi teknikker. Derudover er metoden at pode motor på en Amin-belagt kvarts beskrevet. Denne metode hjælper med at få mere indsigt i molekylære maskiner.

Introduction

I levende organismer er der rigelige molekylære motorer fungerer til at opretholde daglige liv. De er i stand til at udføre forskellige opgaver som brændstofproduktion, transport, mobilitet, etc.1. Tegning fra inspiration af disse fascinerende eksempler i naturen, har forskere udviklet en serie af kunstige molekylære motorer over de sidste mange årtier til at konvertere forskellige typer af energi i kontrolleret bevægelse på det molekylære niveau2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10. the Nobelprisen i kemi i 2016 blev tildelt tre pionerer i dette felt. Ben Feringa, en af prismodtagerne, har udviklet den lys-drevet molekylære motor, der er i stand til at gennemgå løbende ensrettet roterende bevægelse.

Men på molekylært niveau, Brownske bevægelser, også kendt som den tilfældig bevægelse på grund af molekylære kollisioner og vibrationer, er normalt den største hindring for yderligere anvendelse af disse molekylære motorer. Brownske bevægelser kan forstyrre enhver rettet bevægelse. Begrænser de molekylære motorer på overflader kan være en af mulighederne for at overvinde dette problem. Dermed omdannes den relative rotation af en del af molekylet med hensyn til den anden til den absolutte rotation af rotoren i forhold til den overflade11. Desuden kan brug af en enkelt molekylær billeddannelse teknik hjælpe visualisere bevægelse. Derfor, at resultaterne af dette arbejde vil bidrage til at få mere indsigt i den syntetiske molekylære motor.

Den banebrydende arbejde af Yoshida og Kinosita (figur 2a)12,13 har tjent som inspiration for design i det aktuelle arbejde, vist i figur 2b. Den nederste halvdel af en lys-drevne molekylære motor er knyttet til en overflade til at tjene som statoren. Rotoren del er functionalized med en stiv arm og fluorescerende etiket. Når du anvender to forskellige bestråling bølgelængder på systemet, udløser en rotation af motoren, mens den anden vil begejstre de fluorescerende tag. I princippet udløser den roterende bevægelse af rotoren del rotation af den fluorescerende gruppe. Derfor, rotation af fluorescerende tag kan efterfølges af område wide-felt Fluorescens mikroskopi. Denne metode giver for første gang, en metode til at omforme den relative rotation af en molekylær motor i absolut rotation, og derfor en måde at visualisere rotation af syntetiske motor.

Denne artikel indeholder oplysninger om design og samlede syntese og løsning isomerisation studier af Molekylær motor, der bruges til enkelt molekylær billeddannelse. Den molekylære struktur er vist i figur 3. Derudover er metode til at knytte molekylære motorer på kvarts overflade beskrevet.

Protocol

Bemærk: Organisk syntese er større kernen i dette projekt. Figur 1 viser de vigtigste skridt og hvordan man kan opnå målet molekyle.

1. forberedelse af 1b

Bemærk: Opløsningsmidler blev købt i analysekvalitet.

  1. Syntese af keton (3)
    Bemærk: Ved første, en fem-medlem ring keton 2 med en iodo gruppe er functionalized fordi det er mere reaktive. Denne reaktion kan gennemføres under argon atmosfære.
    1. I en forseglet rør (100 mL) der indeholder 2 (640 mg, 2,3 mmol), CuI (219 mg, 1,1 mmol) og NaI (3.44 g, 23 mmol), tilføje 1,4-dioxan (50 mL) og N, N'-dimethyl ethylendiamin (202 mg, 2,3 mmol).
    2. Indstil reaktion temperaturen til 140 ° C og omrøres i 24 timer.
    3. Cool blandingen til stuetemperatur (RT), fjerne opløsningsmidlet i vakuum, og rense det resterende materiale af flash kromatografi: SiO2 (40 g); elueringsvæsken: pentan: EtOAc = 10:1 (total = 550 mL). Produktet bør opnås som en gul, klæbrig olie (642 mg, 91%).
  2. Syntese af motor 5
    Bemærk: Brug Barton-Kellogg reaktion til at danne det centrale dobbeltbinding. Denne reaktion kan gennemføres under argon.
    1. I en kolbe på 50 mL runde-bunden, tilføje Lawessons reagens (415 mg, 1,1 mmol), keton 3 (219 mg, 0,68 mmol) og toluen (10 mL).
    2. Opvarm blandingen på refluks for 2 h og efterfølgende fordampe opløsningsmidlet.
    3. Rense rester af flash kolonne: SiO2 (24 g), elueringsvæsken: pentan: ethylacetat = 30: 1 (total = 155 mL) til at opnå den tilsvarende thioketone, som er efterfølgende redissolved i 20 mL af THF til at give en blå løsning.
    4. Tilføje en THF løsning (20 mL) af diazo sammensatte 4 (476 mg, 1,37 mmol) til den blå løsning, og nyligt blandet opløsningen omrøres ved 50 ° C natten over.
      Bemærk: Dette er den mest afgørende skridt for hele syntesen. Diazo compound og thioketone løsningen skal være frisk og bør gøres inden reaktionen.
    5. Fordampe opløsningsmidlet og rense resten af kromatografi: SiO2 (24 g), elueringsvæsken: pentan: CH2Cl2 = 10:1 (total = 220 mL) at give motor 5 (250 mg, 50%) som en rød solid.
  3. Syntese af motor 6
    Bemærk: Når den centrale dobbeltbinding er dannet, erstatte iodo gruppe af en acetylen gruppe.
    1. Til en 20 mL Schlenk tube, tilføje 3 (165 mg, 0,26 mmol), Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 mole %), CuI (5 mol %). Derefter tilføje THF (10 mL) og (jeg-Pr)2NH (2 mL) der bør være boblede med argon for 10 min før.
    2. Rør blandingen på RT for 10 min. Tilføj derefter triisopropylsilyl acetylen (42 mg, 0,27 mmol).
    3. Rør blandingen til 15 h, så hæld det i en vandig mættede NH4Cl løsning (25 mL).
    4. Uddrag blandingen med CH2Cl2 (3 x 20 mL). Yderligere vaske de kombinerede organiske lag med mættede saltlage og tørre (Na2SO4).
    5. Fjerne opløsningsmidlet og rense resten af flash kromatografi: SiO2 (12 g), elueringsvæsken: pentan: CH2Cl2 = 10:1 (220 mL) for at give 8 som en brun olie (171 mg, 99%).
  4. Syntese af motor 8
    Bemærk: Denne reaktionen udføres under argon.
    1. Rør en blanding af 6 (161 mg, 0,24 mmol), pinacol ester 7 (240 mg, 0.71 mmol), K3PO4 (300 mg, 1,44 mmol) og Pd (PPh3)4 (98 mg, 0.096 mmol) 1, 4dioxane (20 mL) ved 90 ° C i et 50 mL Schlenk tube for 16 h.
    2. Cool blanding til RT, fortyndes det med ethylacetat (30 mL), og udføre filtrering med et glas filter.
    3. Fjerne opløsningsmidlet. Rense rester af flash kolonne kromatografi: SiO2 (12 g), elueringsvæsken: pentan: CH2Cl2= 1:6 (samlede = 122 mL) at give ester 8 som en brun olie (156 mg, 56%).
  5. Syntese af motor 9
    1. Tilføje TBAF (0,1 mL) til en løsning af 8 (120 mg, 0,13 mmol) i THF (10 mL) i en 20 mL Schlenk rør ved 0 ° C.
    2. Blandingen omrøres ved 0 ° C i 1 time, så hæld det i en vandig mættede NH4Cl løsning (20 mL).
    3. Efter ekstraktion med CHCl3 (3 x 10 mL), vask de kombinerede organiske lag med mættede saltlage og tørre (Na2SO4).
    4. Fjerne opløsningsmidlet og rense resten af flash kromatografi: SiO2 (12 g), elueringsvæsken: pentan: ethylacetat = 1:3 (124 mL) for at give 9 som en mørk rød olie (116 mg, 95%).
  6. Syntese af motor 12
    Bemærk: Denne reaktionen udføres under argon.
    1. Til en 20 mL Schlenk tube, tilføje motor 9 (75 mg, 0,10 mmol), PBI 11 (68 mg, 0,10 mmol) Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 mol %), CuI (5 mol %). Derefter tilføje THF (10 mL) og (jeg-Pr)2NH (2 mL) der bør være boblede med argon for 10 min før.
    2. Rør blandingen natten over og hæld det i en vandig mættet NH4Cl løsning.
    3. Efter ekstraktion med CHCl3 (3 x 20 mL), vask de kombinerede organiske lag med mættede saltlage og tørre (Na2SO4).
    4. Fjerne opløsningsmidlet og rense resten af flash kromatografi: SiO2 (12 g), elueringsvæsken: CHCl3 (100 mL) til at give motor 12 som en mørk rød solid (66 mg, 57%).
  7. Syntese af motor 1b
    Bemærk: Når ester sammensat hentes, hydrolysere for at gøre det endelige mål molekyle.
    1. Opløse ester 12 (90 mg, 0,038 mmol) i THF (5 mL), MeOH (5 mL) og NaOH(aq.) (1 M, 5 mL) i en 50 mL kolben og Opvarm blandingen til 75 ° C i 16 h.
    2. Cool blanding til RT og tilsættes 5 mL vand. Fjerne THF og MeOH af roterende fordampning.
    3. Titreres blanding med HCl(aq.) (1 M) indtil nå en pH-værdi på 1 for at danne en brun bundfald. Filtratet blandingen og vaske den brune solide med koldt vand (10 mL) og tørre i vakuum. Denne brune solid er målet molekyle 1b (55 mg, 85%).

2. forberedelse af motor functionalized éncellelag MS-1b

  1. Ren kvarts dias ved at nedsænke dem i en piranha løsning (3:7 forholdet mellem 30% H2O2 i H2SO4) ved 90 ° C i 1 h. skylles rigeligt med dobbeltdestilleret vand 3 x, derefter skylles med MeOH. Tørre dias under en strøm af N2 før overflade ændring.
  2. Silanize piranha-rengjort kvarts dias ved at nedsænke i en 1 mM 3-aminopropyl (diethoxy) methylsilane i frisk destilleret toluen på RT for 12 h. skylles rigeligt med toluen og MeOH.
  3. Der sonikeres kvarts først i toluen, derefter i MeOH, og tør dem under en strøm af argon.
  4. Fordyb Amin-belagt dias i DMF løsning af 1b (10-4 M) på RT for 12 timer.
  5. Vask dias med DMF, vand og MeOH, så tør dem under en strøm af argon. Efter tørring er dias klar til brug.

Representative Results

Bestråling af den molekylære motor udføres med UV-lys (λmax = 365 nm). Efter bestråling opstår en foto-induceret E-Z isomerisation omkring den centrale dobbeltbinding. Under denne proces omdannes molekylet fra en stabil til en ustabil isomer. En termisk aktiveret helix inversion trin og derefter følger at frigive stamme af hele molekylet. Dette resulterer i den oprindelige stabil tilstand. 1 H NMR spektroskopi er derefter ansat til at evaluere den roterende proces (figur 4a). En opløsning af prøven er udarbejdet i et NMR rør, så en lampe af UV-lys (λmax = 365 nm) er placeret ved siden af røret. Efter 2 h af bestråling, kan forskellige ændringer findes i 1H NMR-spektrum. Disse ændringer angiver generation af en ny isomer, der anses for at være ustabile-1b (figur 4b). Det er set i 1H NMR spektroskopi, der Hen skifter fra 2,9 ppm (doublet) til 3.3 ppm (dobbelt doublet). Signal på 1,4 ppm kan tildeles som absorptionen af methylgruppe, og det downfield skifter fra 1,4 ppm til 1,6 ppm. Når prøven er holdt natten over ved stuetemperatur i mørke, den oprindelige spektrum kan være genvundet (figur 4a). Det angiver proces af den termiske helix inversion, der konverterer ustabil-1b til stabil-1b.

For at studere den roterende bevægelse af motor 1b på overflader, de overflade-attached motor forsamlinger MS-1b (MS = motor på overflader) er forberedt. Quartz dias er først functionalized med Amin. Efter dette trin, er kvarts nedsænket i en DMF løsning (10-4 M) af 1b på RT natten over. Den resulterende kvarts er skyllet med DMF, vand og MeOH. Rede kvarts dias indsendes derefter for UV/vis undersøgelser. En UV/vis absorptionsspektrum af MS-1b (solid line) er vist i figur 5b. Som det ses i spektret, er større absorption band og absorption profil svarer til den konstaterede i løsning (figur 5a). Det viser også de karakteristiske absorptioner for motor (420 nm) og PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Disse toppe foreslå motor 1b vellykket tillægger de Amin-belagt overflader. Derudover kvarts dias er bestrålet i 15 min., og spektral ændringer er observeret svarer til den løsning, der angiver generation af de ustabile MS-1b.

Figure 1
Figur 1 : Syntetisk ordning til udarbejdelse af mål molekyle 1b. Ordningen viser reagenser, opløsningsmidler og reaktionsbetingelser, der er brugt i hvert trin.

Figure 2
Figur 2 : (en) skematisk illustration af strukturen af F0F1-ATPase podet på en overflade for visualisering af envejs rotation (gengivet med tilladelse12). (b) konceptuelt design af en syntetisk overflade-bundet lys-drevet molekylære motor for enkelt molekyle billeddannelse.

Figure 3
Figur 3 : Opbygning af en overflade-bundet molekylære motor 1b, forsynet med en stiv lange arm mellem de motoriske kerne og PBI etiket. 

Figure 4
Figur 4 : Alifatiske region af den 1 H-NMR spektre af motor 1b (CD2Cl2, -20 ° C, c = 10-3 M) (en) stabil-1b, inden bestråling (365 nm). (b) foto stationær tilstand blandingen efter bestråling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5 : UV/vis-absorptionsspektre. UV/vis-absorptionsspektre af (en) motor 1b (CH2Cl2, 0 ° C), stabile isomer (solid line) og ustabile isomer (stiplet linje) på PSS. (b) MS-1b (kvarts, 4 ° C) før (solid line) og efter (stiplet linje) bestråling.

Discussion

Dette projekt involverer en betydelig mængde af syntetiske arbejde; Derfor er den mest kritiske trin organisk syntese hen imod den endelige molekyle. Blandt de samlede syntese er Barton-Kellogg reaktion det afgørende skridt, da det er den reaktion, som den centrale dobbeltbinding af den molekylære motor dannes. I øjeblikket er flere metoder blevet brugt til at danne disse typer af strukturer. Her diazo-thioketone kobling er brugt, og de øvre og nedre halvdel er udarbejdet som diazo og thioketone forbindelser, hhv. Thioketone og diazo forbindelser er som regel ikke stabilt under luft; Derfor, reaktionen kræver hurtig opererer under et strengt inert atmosfære.

Eksisterende metoder til at begrænse molekylære motorer på overflader er hovedsagelig baseret på bipodal systemer. Dog blev isomerisation processer af tidligere designede bipodal motorer blokeret på grund af intermolekylære vekselvirkninger. Desuden, nogle af de bipodal eksempler kræver yderligere aktivering forud for vedhæftet fil. Den nuværende metode udretter dette på en tetrapodal måde, som giver robust vedhæftet fil i motoren på overflader med tilstrækkelig isoleret plads.

En begrænsning af denne metode er valget af fluorescerende tag. Kun farvestoffer med bestemte bølgelængder er tilladt, som rotationen af motor er udløst af de 365 nm bølgelængde og dermed ikke være sammenfaldende. Derudover kræver syntesevejen ansat i den beskrevne protokol mod målet molekyle flere trin, hvor barske betingelser er nødvendige for gennemførelsen af reaktionen. I fremtiden, er en mere facile syntetiske design sandsynligvis behov for, hvis en mere avanceret molekyle for enkelt molekylær billeddannelse er påkrævet.

Afslutningsvis, er design og syntese af et stærkt functionalized lys-drevet molekylære motor beskrevet for første gang. Nogle detaljer om den syntetiske indsats er diskuteret, så godt. Derudover metoder at pode motor på et quartz dias overflade er påvist, og prøven kan blive yderligere testet for visualisering af én Molekylær bevægelse14.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet økonomisk af den nederlandske organisation for videnskabelig forskning (NWO-CW), det Europæiske Forskningsråd (ERC, avancerede grant nr. 694345 til B.L.F.), og ministeriet for uddannelse, kultur og videnskab (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