Moteurs moléculaires axée sur la lumière sur les Surfaces pour l’imagerie moléculaire unique

Chemistry
 

Summary

Le manuscrit décrit comment synthétiser et greffer un moteur moléculaire sur des surfaces pour l’imagerie moléculaire unique.

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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).

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Abstract

La conception et la synthèse d’un système de synthèse qui vise pour la visualisation directe d’un moteur rotatif synthétique à l’échelle de la molécule unique sur les surfaces sont démontrés. Ce travail exige une conception soignée, des efforts considérables de synthétique et une analyse correcte. Le mouvement de rotation du moteur moléculaire en solution est indiqué par 1H RMN et les techniques de spectroscopie d’absorption UV-visible. En outre, la méthode de greffer le moteur sur une amine-enduit à quartz est décrite. Cette méthode permet de mieux comprendre les machines moléculaires.

Introduction

Dans les organismes vivants, il y a des moteurs moléculaires abondantes fonctionnement pour soutenir la vie quotidienne. Ils sont capables d’accomplir diverses tâches telles que la production de carburant, transport, mobilité, etc.1. Puisant dans l’inspiration de ces exemples fascinants dans la Nature, les scientifiques ont développé une série de moteurs moléculaires artificielles au cours des dernières décennies pour convertir différents types d’énergie en mouvement, contrôle au niveau moléculaire2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10. le prix Nobel de chimie en 2016 a été décerné à trois pionniers dans ce domaine. Ben Feringa, l’un des lauréats, a développé le moteur moléculaire axée sur la lumière qui est capable de subir un mouvement rotatif continu unidirectionnel.

Cependant, au niveau moléculaire, mouvement brownien, également connu sous le nom le mouvement aléatoire en raison de collisions moléculaires et les vibrations, est généralement le principal obstacle pour d’appliquer ces moteurs moléculaires. Mouvement brownien peut perturber toute motion dirigée. Les moteurs moléculaires sur des surfaces de confinement peut être une des options de surmonter ce problème. Ce faisant, la rotation relative d’une partie de la molécule par rapport à l’autre est convertie en la rotation absolue du rotor par rapport à la surface11. En outre, utilisation de la technique d’imagerie moléculaire unique peut aider à visualiser le mouvement. Par conséquent, les résultats obtenus par ce travail aidera à mieux comprendre le moteur moléculaire synthétique.

Les premiers travaux de Yoshida et Kinosita (Figure 2 a)12,13 a servi de source d’inspiration pour la conception dans les travaux en cours, illustré à la Figure 2 b. La partie inférieure d’un moteur moléculaire axée sur la lumière est attachée à une surface pour servir le stator. La partie du rotor est fonctionnalisée avec un bras rigide et étiquettes fluorescentes. Lorsque vous appliquez deux longueurs d’onde différentes irradiation au système, on va déclencher la rotation du moteur, tandis que l’autre va exciter la balise fluorescente. En principe, le mouvement de rotation de la partie rotor déclenche la rotation du groupe fluorescent. Par conséquent, la rotation de la balise fluorescente peut être suivie de fluorecence défocalisé à grand champ. Cette méthode fournit, pour la première fois, une méthode pour convertir la rotation relative d’un moteur moléculaire en rotation absolue et donc un moyen de visualiser la rotation d’un moteur synthétique.

Cet article fournit des détails sur la conception, la synthèse totale et la solution études isomérisation d’un moteur moléculaire qui est utilisé pour l’imagerie moléculaire unique. La structure moléculaire est illustrée à la Figure 3. En outre, la méthode pour fixer les moteurs moléculaires sur la surface de quartz est décrite.

Protocol

NOTE : Synthèse organique est le cœur majeur de ce projet. La figure 1 montre les étapes clés et comment obtenir la molécule cible.

1. préparation de 1 b

Remarque : Les solvants ont été achetés en qualité analytique.

  1. Synthèse de la cétone (3)
    Remarque : Dans un premier temps, un anneau de cinq membres cétone 2 avec un groupe d’iodo est fonctionnalisée parce qu’il est plus réactif. Cette réaction est réalisée sous atmosphère d’argon.
    1. Dans un tube scellé (100 mL) contenant 2 (640 mg, 2,3 mmol), CuI (219 mg, 1,1 mmol) et NaI (3,44 g, 23 mmol), ajoutent 1, 4-dioxane (50 mL) et la N, N'-diméthyl éthylènediamine (202 mg, 2,3 mmol).
    2. Régler la température de réaction à 140 ° C et mélanger pendant 24 h.
    3. Laisser refroidir le mélange à température ambiante (RT), enlever le solvant sous vide et purifier la matière restante par chromatographie flash : SiO2 (40 g) ; éluant : pentane : EtOAc = 10:1 (total = 550 mL). Le produit doit être obtenu comme une huile jaune, collante (642 mg, 91 %).
  2. Synthèse du moteur 5
    Remarque : Utilisez la réaction de Barton-Kellogg pour former la double liaison centrale. Cette réaction est réalisée sous argon.
    1. Dans un ballon à fond rond 50 mL, ajoutez de Lawesson réactif (415 mg, 1,1 mmol), cétone 3 (219 mg, 0.68 mmol) et le toluène (10 mL).
    2. Chauffer le mélange à reflux pendant 2 h et ensuite s’évaporer le solvant.
    3. Purifier le résidu par colonne flash : SiO2 (24 g), éluant : pentane : éthylacétate = 30 : 1 (total = 155 mL) pour obtenir la thiocétone correspondante, qui est par la suite redissous dans 20 mL de THF pour donner une solution bleue.
    4. Ajouter une solution THF (20 mL) de composés diazo 4 (476 mg, 1,37 mmol) à la solution bleue et agiter la solution mixte nouvellement à 50 ° C durant la nuit.
      NOTE : Ceci est la plus importante étape de la synthèse ensemble. La solution composé et thiocétone diazo doit être fraîche et doit être faite avant la réaction.
    5. Laisser évaporer le solvant et purifier le résidu par chromatographie : SiO2 (24 g), éluant : pentane : CH2Cl2 = 10:1 (total = 220 mL) à rendement moteur 5 (250 mg, 50 %) comme un solide rouge.
  3. Synthèse du moteur 6
    Remarque : Lorsque la double liaison centrale est formée, remplacer le groupe d’iodo par une portion de l’acétylène.
    1. Pour un tube de Schlenk de 20 mL, ajouter 3 (165 mg, 0.26 mmol), Pd (3de l’HPP)2Cl2 (2,5 % de molaire), CuI (mole 5 %). Puis, ajoutez THF (10 mL) et (i-Pr)2NH (2 mL) qui doit être propagé à l’argon pendant 10 min avant.
    2. Incorporer le mélange à la droite pendant 10 min. Ensuite, ajoutez triisopropyliques acétylène (42 mg, 0,27 mmol).
    3. Agiter le mélange pendant 15 h, puis versez-la dans une aqueuse saturée NH4Cl solution (25 mL).
    4. Extraire le mélange avec CH2Cl2 (3 x 20 mL). Plus de laver les couches organiques combinés avec de la saumure saturée et sec (Na2SO4).
    5. Enlever le solvant et purifier le résidu par chromatographie flash : SiO2 (12 g), éluant : pentane : CH2Cl2 = (220 mL) 10:1 pour donner 8 comme une huile brune (171 mg, 99 %).
  4. Synthèse du moteur 8
    NOTE : Cette réaction s’effectue sous argon.
    1. Incorporez un mélange de 6 (161 mg, 0.24 mmol), pinacol ester 7 (240 mg, 0.71 mmol), K3PO4 (300 mg, 1,44 mmol) et Pd (3de l’HPP)4 (98 mg, 0,096 mmol) 1, 4dioxane (20 mL) à 90 ° C dans un tube de Schlenk pour 16 de 50 mL h.
    2. Refroidir le mélange à la RT, diluer avec de l’acétate d’éthyle (30 mL) et effectuer la filtration avec un filtre en verre.
    3. Éliminer le solvant. Purifier le résidu par chromatographie sur colonne flash : SiO2 (12 g), éluant : pentane : CH2Cl2= 1:6 (total = 122 mL) pour produire l’ester 8 comme une huile brune (156 mg, 56 %).
  5. Synthèse du moteur 9
    1. Ajouter TBAF (0,1 mL) à une solution de 8 (120 mg, 0.13 mmol) dans du THF (10 mL) dans un 20 mL tubes Schlenk à 0 ° C.
    2. Remuez le mélange à 0 ° C pendant 1 h, puis versez-la dans une aqueuse saturée NH4Cl solution (20 mL).
    3. Après extraction avec CHCl3 (3 x 10 mL), laver les couches organiques combinés avec de la saumure saturée et sec (Na2SO4).
    4. Enlever le solvant et purifier le résidu par chromatographie flash : SiO2 (12 g), éluant : pentane : éthylacétate = 1:3 (124 mL) pour donner 9 comme une huile rouge foncée (116 mg, 95 %).
  6. Synthèse du moteur 12
    NOTE : Cette réaction s’effectue sous argon.
    1. Pour un tube de Schlenk de 20 mL, ajouter un moteur 9 (75 mg, 0,10 mmol), PBI 11 (68 mg, 0,10 mmol) Pd (3de l’HPP)2Cl2 (2,5 % de mol), CuI (mol 5 %). Puis, ajoutez THF (10 mL) et (i-Pr)2NH (2 mL) qui doit être propagé à l’argon pendant 10 min avant.
    2. Remuer le mélange pendant une nuit et versez-la dans une solution aqueuse saturée de NH4Cl de solution.
    3. Après extraction avec CHCl3 (3 x 20 mL), laver les couches organiques combinés avec de la saumure saturée et sec (Na2SO4).
    4. Enlever le solvant et purifier le résidu par chromatographie flash : SiO2 (12 g), éluant : CHCl3 (100 mL) au rendement moteur 12 comme un rouge foncé solide (66 mg, 57 %).
  7. Synthèse du moteur 1 b
    Remarque : Quand on obtient le composé d’ester, hydrolysent pour faire de la molécule cible finale.
    1. Dissoudre l' ester 12 (90 mg, 0,038 mmol) dans le THF (5 mL) et MeOH (5 mL) de NaOH(AQ) (1 M, 5 mL) dans un ballon jaugé de 50 mL et porter le mélange à 75 ° C pendant 16 h.
    2. Refroidir le mélange a RT et ajouter 5 mL d’eau. Retirez le THF et MeOH évaporateur rotatif.
    3. Titrer le mélange avec de l’HCl(AQ) (1 M) jusqu'à un pH de 1 pour former un précipité brun. Filtrer le mélange et laver le solide brun avec de l’eau froide (10 mL) et sécher dans l’abstrait. Ce solide brun est la cible molécule 1 b (55 mg, 85 %).

2. préparation du moteur fonctionnalisés monocouche MS-1 b

  1. Nettoyez les lames de quartz en immergeant dans une solution de piranha (ratio de 3:7 30 % H2O2 H2SO4) à 90 ° C pendant 1 h. rincer abondamment avec de l’eau bidistillée 3 x, puis rincez avec MeOH. Sécher les diapositives sous un flux de N2 avant modification de surface.
  2. Silyler le quartz décapés piranha glisse en l’immergeant dans une solution de 1 mM de 3-aminopropyl (diéthoxy) du méthylsilane dans le toluène fraîchement distillée à RT pendant 12 h. rincer abondamment avec toluène et MeOH.
  3. Laisser agir le quartz tout d’abord dans le toluène, puis dans le méthanol, puis séchez-les sous un courant d’argon.
  4. Plonger les lames d’amine-enduit en solution DMF de 1 b (10-4 M) à ta pendant 12 h.
  5. Laver les lames avec DMF, eau et MeOH, puis faites-les sécher sous un courant d’argon. Après séchage, les lames sont prêtes à l’emploi.

Representative Results

L’irradiation du moteur moléculaire est exécutée avec la lumière UV (λmax = 365 nm). Lors de l’irradiation, une isomérisation Ez photoinduit autour de la double liaison centrale se produit. Au cours de ce processus, la molécule se transforme d’une écurie à un isomère instable. Une étape d’inversion helix thermiquement activées suit alors pour libérer la souche de la molécule dans son ensemble. Cela se traduit par l’état stable d’origine. 1 Spectroscopie RMN de H est alors employée pour évaluer le processus rotatif (Figure 4 a). Préparer une solution de l’échantillon dans un tube de NMR, puis une lampe de lumière UV (λmax = 365 nm) est placé à côté du tube. Après 2 heures d’irradiation, on trouvera des variations distinctes dans le spectre de RMN H 1. Ces changements indiquent la génération d’un nouvel isomère qui est considéré comme instable-1 b (Figure 4 b). On le voit dans le 1H RMN qui Hune passe de 2,9 ppm (doublet) à 3,3 ppm (double doublet). Le signal à 1,4 ppm peut être assigné comme l’absorption du groupe méthyle, et elle downfield se déplace de 1,4 ppm à 1,6 ppm. Lorsque l’échantillon est conservé pendant la nuit dans l’obscurité à température ambiante, le spectre original peut être récupéré (Figure 4 a). Il indique que le processus d’inversion thermique hélice qui convertit instable 1 b stable-1 b.

Afin d’étudier le mouvement de rotation du moteur 1 b sur les surfaces, les assemblys moteurs rattaché au surface MS-1 b (MS = moteur sur surfaces) sont préparés. Tout d’abord, les lames de quartz sont fonctionnalisés avec amine. Après cette étape, le quartz est immergée dans une solution DMF (10-4 M) de 1 b à la droite du jour au lendemain. Le quartz qui en résulte est rincée avec DMF, eau et MeOH. Les lames de quartz préparés sont ensuite soumises pour les études d’UV/vis. Un spectre d’absorption UV/vis de MS-1 b (ligne continue) est montré dans la Figure 5 b. Comme on le voit dans le spectre, la bande d’absorption importante et le profil d’absorption sont semblables à ceux observés en solution (Figure 5 a). Il montre également les absorptions caractéristiques moteur (420 nm) et PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Ces pics suggèrent la fixation réussie de moteur 1 b sur les surfaces recouvertes amine. En outre, la lame de quartz est irradiée pendant 15 minutes, et on observe des changements spectrales semblables à celle de la solution, indiquant la génération de l’instable MS-1 b.

Figure 1
Figure 1 : Schéma synthétique vers la préparation de la molécule de cible 1 b. Le schéma montre les réactifs, des solvants et des conditions de réaction qui sont utilisées à chaque étape.

Figure 2
Figure 2 : (un) illustration schématique de la structure de F0F1-ATPase greffé sur une surface pour la visualisation de la rotation unidirectionnelle (reproduite avec l’autorisation de12). (b), à la conception d’une surface synthétique-limite axée sur la lumière moteur moléculaire pour l’imagerie de la molécule.

Figure 3
Figure 3 : Structure d’une surface de liaison moléculaire moteur 1 b, portant un bras long rigide entre le noyau moteur et l’étiquette PBI. 

Figure 4
Figure 4 : Aliphatique région de le 1 H-RMN du moteur 1 b (CD2Cl2, -20 ° C, c = 10-3 M) (un) stable-1 b, avant l’irradiation (365 nm). (b), état stationnaire Photo mélange après l’irradiation. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Les spectres d’absorption UV/vis. Spectres d’absorption UV/vis de (un) moteur 1 b (CH2Cl2, 0 ° C), stable isomère (trait plein) et isomère instable (ligne pointillée) au PSS. (b) MS-1 b (quartz, 4 ° C) avant (trait plein) et après une irradiation (ligne pointillée).

Discussion

Ce projet implique une quantité importante de travail synthétique ; par conséquent, l’étape la plus critique est la synthèse organique vers la molécule finale. Parmi la synthèse totale, la réaction de Barton-Kellogg est l’étape clé, puisque c’est la réaction dont la double liaison centrale du moteur moléculaire est constituée. Actuellement, plusieurs méthodes ont été utilisées pour former ces types de structures. Ici, couplage diazoïque-thiocétone est utilisé et les moitiés supérieures et inférieures ont été préparés comme les composés diazoïques et thiocétone, respectivement. Thiocétone et composés diazo ne sont généralement pas stables dans l’air ; par conséquent, la réaction nécessite rapide opérant sous une atmosphère inerte strictement.

Les méthodes existantes de confiner des moteurs moléculaires sur les surfaces sont principalement basées sur systèmes bipodal. Toutefois, les processus d’isomérisation des moteurs bipodal précédemment conçus ont été obstrués en raison des interactions intermoléculaires. En outre, certains des exemples bipodal exige davantage activation avant fixation. La méthode actuelle accomplit ceci d’une manière tetrapodal, qui fournit robuste fixation du moteur sur les surfaces avec suffisamment d’espace isolé.

Une limitation de cette méthode est le choix de la balise fluorescent. Seuls les colorants avec longueurs d’onde spécifiques sont autorisées, comme la rotation du moteur est déclenchée par la longueur d’onde nm 365 et ne devrait donc pas se chevaucher. En outre, la voie de synthèse utilisée dans le protocole décrit vers la molécule cible nécessite plusieurs étapes où des conditions sévères sont nécessaires pour l’achèvement de la réaction. À l’avenir, une conception synthétique plus facile est probablement nécessaire si une molécule plus avancée pour l’imagerie moléculaire unique est requise.

En conclusion, la conception et la synthèse d’un moteur moléculaire hautement fonctionnalisé axée sur la lumière est décrite pour la première fois. Ainsi, certains détails de l’effort de synthèse sont discutés. En outre, les méthodes de greffer le moteur sur une surface de glissement de quartz sont démontrés, et l’échantillon peut être davantage testée pour la visualisation du mouvement moléculaire unique14.

Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu financièrement par l’organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO-CW), l’European Research Council (ERC ; subvention avancée no 694345 pour BLF) et le ministère de l’éducation, la Culture et la Science (n° de programme de Gravitation. 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

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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).

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