Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Man made molecular machines
man made molecular motors
Synthetic molecular motors are molecular machines capable of continuous directional rotation under an energy input. Although the term "molecular motor" has traditionally referred to a naturally occurring protein that induces motion (via protein dynamics), some groups also use the term when referring to non biological, non peptide synthetic motors. Many chemists are pursuing the synthesis of such molecular motors. The basic requirements for a synthetic motor are repetitive 360° motion, the consumption of energy and unidirectional rotation. The first two efforts in this direction, the chemically driven motor by Dr. T. Ross Kelly of Boston College with co workers and the light driven motor by Ben Feringa and co workers, were published in 1999 in the same issue of Nature. As of 2020, the smallest atomically precise molecular machine has a rotor that consists of four atoms.
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.
An example of a prototype for a synthetic chemically driven rotary molecular motor was reported by Kelly and co workers in 1999. Their system is made up from a three bladed triptycene rotor and a helicene, and is capable of performing a unidirectional 120° rotation. This rotation takes place in five steps. The amine group present on the triptycene moiety is converted to an isocyanate group by condensation with phosgene (a). Thermal or spontaneous rotation around the central bond then brings the isocyanate group in proximity of the hydroxyl group located on the helicene moiety (b), thereby allowing these two groups to react with each other (c). This reaction irreversibly traps the system as a strained cyclic urethane that is higher in energy and thus energetically closer to the rotational energy barrier than the original state. Further rotation of the triptycene moiety therefore requires only a relatively small amount of thermal activation in order to overcome this barrier, thereby releasing the strain (d). Finally, cleavage of the urethane group restores the amine and alcohol functionalities of the molecule (e). The result of this sequence of events is a unidirectional 120° rotation of the triptycene moiety with respect to the helicene moiety. Additional forward or backward rotation of the triptycene rotor is inhibited by the helicene moiety, which serves a function similar to that of the pawl of a ratchet. The unidirectionality of the system is a result from both the asymmetric skew of the helicene moiety as well as the strain of the cyclic urethane which is formed in c. This strain can be only be lowered by the clockwise rotation of the triptycene rotor in d, as both counterclockwise rotation as well as the inverse process of d are energetically unfavorable. In this respect the preference for the rotation direction is determined by both the positions of the functional groups and the shape of the helicene and is thus built into the design of the molecule instead of dictated by external factors. The motor by Kelly and co workers is an elegant example of how chemical energy can be used to induce controlled, unidirectional rotational motion, a process which resembles the consumption of ATP in organisms in order to fuel numerous processes. However, it does suffer from a serious drawback: the sequence of events that leads to 120° rotation is not repeatable. Kelly and co workers have therefore searched for ways to extend the system so that this sequence can be carried out repeatedly. Unfortunately, their attempts to accomplish this objective have not been successful and currently the project has been abandoned. In 2016 David Leigh's group invented the first autonomous chemically fuelled synthetic molecular motor. Some other examples of synthetic chemically driven rotary molecular motors that all operate by sequential addition of reagents have been reported, including the use of the stereoselective ring opening of a racemic biaryl lactone by the use of chiral reagents, which results in a directed 90° rotation of one aryl with respect to the other aryl. Branchaud and co workers have reported that this approach, followed by an additional ring closing step, can be used to accomplish a non repeatable 180° rotation. Feringa and co workers used this approach in their design of a molecule that can repeatably perform 360° rotation. The full rotation of this molecular motor takes place in four stages. In stages A and C rotation of the aryl moiety is restricted, although helix inversion is possible. In stages B and D the aryl can rotate with respect to the naphthalene with steric interactions preventing the aryl from passing the naphthalene. The rotary cycle consists of four chemically induced steps which realize the conversion of one stage into the next. Steps 1 and 3 are asymmetric ring opening reactions which make use of a chiral reagent in order to control the direction of the rotation of the aryl. Steps 2 and 4 consist of the deprotection of the phenol, followed by regioselective ring formation.
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.
In 1999 the laboratory of Prof. Dr. Ben L. Feringa at the University of Groningen, The Netherlands, reported the creation of a unidirectional molecular rotor. Their 360° molecular motor system consists of a bis helicene connected by an alkene double bond displaying axial chirality and having two stereocenters. One cycle of unidirectional rotation takes 4 reaction steps. The first step is a low temperature endothermic photoisomerization of the trans (P,P) isomer 1 to the cis (M,M) 2 where P stands for the right handed helix and M for the left handed helix. In this process, the two axial methyl groups are converted into two less sterically favorable equatorial methyl groups. By increasing the temperature to 20 °C these methyl groups convert back exothermally to the (P,P) cis axial groups (3) in a helix inversion. Because the axial isomer is more stable than the equatorial isomer, reverse rotation is blocked. A second photoisomerization converts (P,P) cis 3 into (M,M) trans 4, again with accompanying formation of sterically unfavorable equatorial methyl groups. A thermal isomerization process at 60 °C closes the 360° cycle back to the axial positions. A major hurdle to overcome is the long reaction time for complete rotation in these systems, which does not compare to rotation speeds displayed by motor proteins in biological systems. In the fastest system to date, with a fluorene lower half, the half life of the thermal helix inversion is 0.005 seconds. This compound is synthesized using the Barton Kellogg reaction. In this molecule the slowest step in its rotation, the thermally induced helix inversion, is believed to proceed much more quickly because the larger tert butyl group makes the unstable isomer even less stable than when the methyl group is used. This is because the unstable isomer is more destabilized than the transition state that leads to helix inversion. The different behaviour of the two molecules is illustrated by the fact that the half life time for the compound with a methyl group instead of a tert butyl group is 3.2 minutes. The Feringa principle has been incorporated into a prototype nanocar. The car synthesized has a helicene derived engine with an oligo (phenylene ethynylene) chassis and four carborane wheels and is expected to be able to move on a solid surface with scanning tunneling microscopy monitoring, although so far this has not been observed. The motor does not perform with fullerene wheels because they quench the photochemistry of the motor moiety. Feringa motors have also been shown to remain operable when chemically attached to solid surfaces. The ability of certain Feringa systems to act as an asymmetric catalyst has also been demonstrated. In 2016, Feringa was awarded a Nobel prize for his work on molecular motors.
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.
A single molecule electrically operated motor made from a single molecule of n butyl methyl sulfide (C5H12S) has been reported. The molecule is adsorbed onto a copper (111) single crystal piece by chemisorption.