Кіріспе

Адам жасаған молекулалық машиналар, адам жасаған молекулалық қозғалтқыштар. Синтетикалық молекулалық қозғалтқыштар – энергия беру арқылы үздіксіз, бір бағытта айналатын молекулалық машиналар. «Молекулалық қозғалтқыш» термині дәстүрлі түрде қозғалыс тудыратын табиғи белокқа (белок динамикасы арқылы) қатысты болғанымен, кейбір ғалымдар бұл терминді биологиялық емес, пептидтік емес синтетикалық қозғалтқыштарды сипаттау үшін де қолданады. Көптеген химиктер мұндай молекулалық қозғалтқыштарды синтездеуге ұмтылып жатыр. Синтетикалық қозғалтқыштың негізгі талаптары – 360 градусқа қайталанатын қозғалыс, энергияны жұмсау және бір бағытта айналу. Бұл бағыттағы алғашқы екі жұмыс – Бостон колледжінің докторы Т. Росс Келли және оның әріптестері жасаған химиялық қозғалтқыш, сондай-ақ Бен Феринга мен оның әріптестері жасаған жарық қозғалтқышы 1999 жылы Nature журналының бір санында жарияланды. 2020 жылғы мәліметтер бойынша, ең кішкентай атомдық дәлдіктегі молекулалық машинада төрт атомнан тұратын ротор бар.

Химиялық қозғалтқышпен жұмыс істейтін ротациялық молекулалық қозғалтқыштар

Келли мен оның әріптестері 1999 жылы синтетикалық химиялық күшпен жұмыс істейтін ротациялық молекулалық қозғалтқыштың прототипін жасағандарын хабарлады. Олардың жүйесі үш қанатты триптицен роторы мен гелиценнен тұрады және бір бағытта 120° айналуға қабілетті. Бұл айналу бес кезеңнен тұрады. Триптицен фрагментіндегі амин тобы фосгенмен конденсациялану арқылы изоцианат тобына айналады (а). Орталық байланыстың термиялық немесе спонтанды айналуы изоцианат тобын гелицен фрагментіндегі (b) гидроксил тобына жақын келтіреді, соның салдарынан бұл екі топтың бір-бірімен (c) әрекеттесуіне мүмкіндік туады. Бұл реакция жүйені кері қайтарылмайтын түрде жоғары энергиялы циклдік уретан ретінде тұрақтандырады, бұл бастапқы күйге қарағанда айналу энергиясының кедергісіне энергетикалық жағынан жақын. Сондықтан триптицен фрагментін одан әрі айналдыру үшін осы кедергіден өту үшін салыстырмалы түрде аз термиялық белсендіру қажет, осылайша кернеуді босатады (d). Соңында, уретан тобының ыдырауы молекуланың (e) амин және спирттік функционалдық топтарын қалпына келтіреді. Бұл оқиғалардың тізбегінің нәтижесінде триптицен фрагменті гелицен фрагментіне қатысты 120° бір бағытта айналады. Триптицен роторының қосымша айналуы гелицен фрагментімен шектеледі, ол тісті дөңгелек сияқты қызмет атқарады. Жүйенің бір бағытты болуы гелицен фрагментінің асимметриялық бұрылуымен және c кезеңінде түзілген циклдік уретанның кернеуімен байланысты. Бұл кернеуді d кезеңінде триптицен роторының сағат тілі бойынша айналуымен ғана азайтуға болады, өйткені кері айналу да, d кезеңінің кері процесі де энергетикалық тұрғыдан тиімсіз. Осыған байланысты айналу бағытының басымдығы функционалдық топтардың орналасуымен және гелиценнің пішінімен анықталады, сондықтан ол молекуланың құрылымына енгізілген, сыртқы факторлармен диктантталмайды. Келли мен оның әріптестерінің моторы химиялық энергияны басқарылатын, бір бағытты айналу қозғалысын тудыру үшін қалай пайдалануға болатынының көрнекті мысалы, бұл процесс организмдердегі АТФ тұтынуға ұқсас, көптеген процестерді қамтамасыз етеді. Дегенмен, оның бір маңызды кемшілігі бар: 120° айналуға әкелетін оқиғалар тізбегі қайталанбайды. Келли мен оның әріптестері осы жүйені кеңейтудің жолдарын іздеді, осылайша бұл тізбекті бірнеше рет орындауға болады. Алайда, олардың бұл мақсатқа жетуге жасаған тыңайлаулары сәтті болмады және қазіргі уақытта жоба тоқтатылды. 2016 жылы Дэвид Ли тобы алғашқы автономды химиялық отынмен жұмыс істейтін синтетикалық молекулалық қозғалтқышты ойлап тапты. Реактивтерді ретті қосу арқылы жұмыс істейтін басқа да синтетикалық химиялық күшпен жұмыс істейтін ротациялық молекулалық моторлар туралы хабарланды, соның ішінде хиральдық реагенттерді қолдану арқылы рацемиялық биариль лактонының стереоселективті сақинасының ашылуы, нәтижесінде бір арилдің екінші арилге қатысты 90° бағытталған айналуы. Браншод пен оның әріптестері бұл тәсілді, содан кейін қосымша сақина жабу кезеңін пайдаланып, қайталанбайтын 180° айналуға қол жеткізуге болатынын хабарлады. Феринга мен оның әріптестері осы тәсілді 360° айналуды қайталай алатын молекуланы жобалауда қолданды. Бұл молекулалық қозғалтқыштың толық айналуы төрт кезеңнен тұрады. А және С кезеңдерінде арил фрагментінің айналуы шектеледі, бірақ спиральдық инверсия мүмкін. B және D кезеңдерінде арил стерикалық өзара әрекеттесулер нафталиннен өтуіне кедергі келтіре отырып, нафталинге қатысты айналуға қабілетті. Ротациялық цикл химиялық түрде шақырылған төрт кезеңнен тұрады, олар бір кезеңнің келесі кезеңге өтуін қамтамасыз етеді. 1 және 3 кезеңдер арилдің айналу бағытын бақылау үшін хиральдық реагентті пайдаланатын асимметриялық сақина ашу реакциялары болып табылады. 2 және 4 кезеңдер фенолдың депротекциясынан тұрады, содан кейін аймақтық таңдамалы сақиналар түзіледі.

Жарықпен жұмыс істейтін ротациялық молекулалық қозғалтқыштар

1999 жылы Нидерландыдағы Гронинген университетінің профессоры және докторы Бен Л. Феринганың зертханасы бір бағытты молекулалық ротор жасалғанын хабарлады. Олардың 360° молекулалық қозғалтқыш жүйесі екі стереоорталықтан тұратын, осьтік хиралдылықты көрсететін алкен қос байланысымен байланысқан бис-гелиценнен тұрады. Бір бағытты айналу циклы 4 реакциялық қадамнан тұрады. Бірінші қадам – транс (P,P) изомерінің 1, цис (M,M) изомері 2-ге фотоизомеризациялануы, мұнда P – оң жақ спираль, ал M – сол жақ спиральды білдіреді. Бұл процесте екі аксиалды метил тобы екі аз стерильді экваториалды метил тобына айналады. Температураны 20 °C-қа дейін көтеру арқылы бұл метил топтары экзотермальды түрде (P,P) цис осьтік топтарға (3) спиральдық инверсия арқылы қайта айналады. Аксиалды изомер экваториалды изомерге қарағанда тұрақты болғандықтан, кері айналу тоқтатылады. Екінші фотоизомеризация (P,P) цис 3-ті (M,M) транс 4-ке айналдырады, осыған қатар стерильді жағымсыз экваториалды метил топтары да пайда болады. 60 °C температурадағы термиялық изомерлеу процесі 360° циклын осілік жағдайға қайтарады. Бұл жүйелерде толық айналу үшін қажетті ұзақ реакциялық уақыт – еңсерілуі тиіс негізгі кедергі, ол биологиялық жүйелердегі моторлы ақуыздардың айналу жылдамдығымен салыстырылмайды. Флуорен негізді ең жылдам жүйеде термиялық спираль инверсиясының жартылай ыдырау мерзімі 0,005 секундты құрайды. Бұл қосылыс Бартон-Келлог реакциясы арқылы синтезделеді. Бұл молекулада айналудың ең баяу қадамы – термиялық түрде шақырылған спираль инверсиясы, үлкен трет-бутил тобының арқасында метил тобы қолданылған кездегіден гөрі оның тұрақсыз изомерін одан да тұрақсыз ететіндіктен, тез жүзеге асады деп есептеледі. Себебі тұрақсыз изомердің тұрақсыздығы спираль инверсиясына әкелетін өтпелі күйге қарағанда жоғары. Екі молекуланың әртүрлі мінез-құлқы метил тобы бар қосылыстың жартылай ыдырау мерзімі 3,2 минутты құрайтынымен көрсетіледі. Феринга принципі наноавтомобиль прототипіне енгізілген. Синтезделген автомобильде олиго(фениленэтинил) шассиі және төрт карборан дөңгелегі бар гелиценнен алынған қозғалтқыш бар, және ол сканерлік туннельдік микроскопиямен бақылау арқылы қатты бетте қозғала алады деп күтілуде, бірақ қазірге дейін бұл байқалған жоқ. Мотор фуллерин дөңгелектерімен жұмыс істемейді, өйткені олар мотор бөлігінің фотохимиясын басады. Феринга моторлары қатты беттерге химиялық түрде бекітілгенде де жұмыс істей алатыны көрсетілді. Кейбір Феринга жүйелерінің асимметриялық катализатор ретінде әрекет ету қабілеті де дәлелденді. 2016 жылы Феринга молекулалық қозғалтқыштардағы жұмысы үшін Нобель сыйлығымен марапатталды.

Бір молекулалы электр қозғалтқышының эксперименттік көрсетілімі

Бір молекулалық n-бутил метил сульфид (C5H12S) молекуласынан жасалған, электрмен жұмыс істейтін мотор туралы хабарланды. Молекула химиялық адсорбция арқылы мыс (111) бір кристалл үлесіне сіңіріледі.