Кіріспе
Дембельге ұқсас өзара байланысқан молекулалық құрылым. Ротаксен – макроцикл арқылы өткізілген, механикалық түрде өзара байланысқан молекулалық архитектура. Ротаксеннің екі компоненті кинетикалық тұтқындалуға ұшырайды, себебі гантельдің ұштары (көбінесе тосқауылдар деп аталады) сақинаның ішкі диаметрінен үлкен болғандықтан, компоненттердің диссоциациясын (жіпсізденуін) болдырмайды, себебі бұл ковалентті байланыстардың айтарлықтай бұзылуын қажет етеді. Ротаксендер және басқа да механикалық түрде өзара байланысқан молекулалық архитектуралар, мысалы катенандар туралы көптеген зерттеулер олардың тиімді синтезіне немесе жасанды молекулалық машиналар ретінде қолданылуына бағытталған. Дегенмен, ротаксен субструктурасының мысалдары табиғи пептидтерде де кездеседі, оның ішінде цистин түйінді пептидтер, циклотидтер немесе микроцин J25 сияқты лассо пептидтер бар.
A rotaxane is a mechanically interlocked molecular architecture consisting of a dumbbell shaped molecule which is threaded through a macrocycle (see graphical representation). The two components of a rotaxane are kinetically trapped since the ends of the dumbbell (often called stoppers) are larger than the internal diameter of the ring and prevent dissociation (unthreading) of the components since this would require significant distortion of the covalent bonds. Much of the research concerning rotaxanes and other mechanically interlocked molecular architectures, such as catenanes, has been focused on their efficient synthesis or their utilization as artificial molecular machines. However, examples of rotaxane substructure have been found in naturally occurring peptides, including: cystine knot peptides, cyclotides or lasso peptides such as microcin J25.
Синтез
Ротаксеннің алғашқы синтезі 1967 жылы, егер гантель тәрізді молекуланың екі жартысы макроциклдің қатысуымен реакцияға түссе, олардың шағын бөлігінің сақина арқылы байланысуының статистикалық ықтималдығына негізделген. Ротаксеннің қолайлы мөлшерін алу үшін макроцикл қатты фазалық тірекке бекітіліп, гантельдің екі жартысымен 70 рет өңделді, содан кейін 6% өнім алу үшін тіректен бөлінді. Дегенмен, ротаксендерді синтездеу әлдеқайда дамыды және компоненттерді сутекті байланыстар, металл координациясы, гидрофобтық күштер, ковалентті байланыстар немесе куломбалық өзара әрекеттесулер арқылы алдын ала ұйымдастыру арқылы тиімді өнім алуға болады. Ротаксенді синтездеудің ең көп қолданылатын үш стратегиясы – "қаптау", "кесу" және "сығу", бірақ тағы да басқалары бар. Соңғы кезде Ли және оның әріптестері макроцикл қуысы арқылы реакцияны катализдейтін өтпелі металл орталығын қамтитын механикалық түрде байланысқан архитектураларға жаңа жол сипаттады.
Жабықша
Кэппинг әдісі арқылы синтез термодинамикалық түрде ынталандырылған шаблондық әсерге күшті тіреледі; яғни, "жіп" "макроциклдің" ішінде ковалентті емес өзара әрекеттесулер арқылы ұсталады, мысалы, циклодекстрин макроциклдерімен ротаксинациялар гидрофобтық эффектті пайдалануды қамтиды. Бұл динамикалық кешен немесе псевдоротаксан, содан кейін жіптелген молекуланың екі ұшын ірі топтармен реакцияға түсіріп, ыдыраудың алдын тоқтату арқылы ротаксанға айналады.
Қалқалау
Клиптеу әдісі капинг реакциясына ұқсас, бірақ бұл жағдайда гантель пішіндес молекула толыққанды болып, жартылай макроциклге байланысқан. Содан кейін жартылай макроцикл гантель пішіндес молекуланың айналасында сақина жабу реакциясына түсіп, ротаксенді құрайды.
Сырғаласу
Сырғалақтап құлау әдісі ротаксеннің термодинамикалық тұрақтылығын пайдаланады. Егер гантельдің ұштары тиісті өлшемде болса, жоғары температурада макроциклдің ішінде қайтымды түрде жылға алады. Динамикалық кешенді салқындатқанда, төмен температурада ротаксен ретінде кинетикалық тұтқынға түседі.
Қалқыма
Жіптің екі жеке бөлігінен тұратын айыру амалында, екі бөлігінде де ірі топтама болады. Жіптің бір бөлігі макроциклге тігіледі, жартылай ротаксанды құрайды, ал екінші бөлігі ротаксанды аяқтау үшін ұшын жабады.
"Активті үлгі" әдістемесі
Ли және оның әріптестері жақында шаблондық иондар алдын-ала өзара байланысқан құрылымды тұрақтандыратын маңызды соңғы ковалентті байланыс түзетін реакцияны итеріске салуда да белсенді рөл атқаратын стратегияны зерттеуге кірісті (яғни, металл екі қызмет атқарады: прекурсорларды өріп-тоқуға шаблон ретінде әрекет етеді және реактивтер арасында ковалентті байланыс түзетуді катализдейді).
Молекулалық машиналар
Ротаксанға негізделген молекулалық машиналар молекулалық электроникада логикалық молекулалық ауыстыру элементтері ретінде және молекулалық шаттл ретінде қолдану мүмкіндігіне байланысты бастапқы қызығушылық тудырды. Бұл молекулалық машиналар әдетте гантельдегі макроциклдің қозғалысына негізделген. Макроцикл дөңгелек пен ось сияқты гантель осін айналдыра немесе бір жағынан екінші жағына қарай сырғана алады. Макроциклдің орналасуын бақылау ротаксанға молекулалық ауыстырғыш ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді, мұнда макроциклдің әрбір мүмкін орны әртүрлі күйге сәйкес келеді. Бұл ротаксан машиналарын химиялық және фотохимиялық әсерлер арқылы басқаруға болады. Ротаксанға негізделген жүйелер молекулалық бұлшық еттер ретінде де жұмыс істейтіні көрсетілді. 2009 жылы гликоротаксан молекулалық машинасының бір ұшынан екіншісіне "домино әсері" туралы хабарлама жарияланды. Бұл жағдайда манопиранозидтік тоқтағыштың 4С1 немесе 1С4 конфигурациясы макроциклдің орналасуына байланысты бақыланады. 2012 жылы Chem. Sci. журналында қос лассо молекулалық машиналардан тұратын бірегей псевдомакроциклдер (сондай-ақ ротамакроциклдер деп те аталады) туралы хабарланды. Бұл құрылымдар pH деңгейіне байланысты тартылып немесе кеңейе алады. Бұл жаңа молекулалық машиналарда бақыланатын секірмелі арқан қозғалысы да байқалды.
Өте тұрақты бояулар
Ұзақ сақталатын бояу ретінде қолдану мүмкіндігі гантель пішіндес молекуланың ішкі бөлігінің күшейтілген тұрақтылығына негізделген. Циклодекстринмен қорғалған ротаксан азо бояғыштарында жүргізілген зерттеулер осы қасиетті растады. Көбірек реакцияға қабілетті скварин бояғыштарының да ішкі скварин бөлігіне нуклеофилдік шабуылдың алдын келу арқылы күшейтілген тұрақтылығы көрсетілді. Ротаксан бояғыштарының күшейтілген тұрақтылығы макроциклдің оқшаулағыш әсерімен байланысты, ол басқа молекулалармен өзара әрекеттесуге кедергі келтіре алады.
Наножазбалау
Наножазба қолданысында, белгілі бір ротаксен ITO жағалған шыныға Лангмуир-Блоджетт қабығы ретінде жатқызылады. Сканерлік туннельдік микроскоптың зондының ұшымен оң кернеу қолданғанда, зондтың астындағы ротаксен сақиналары гантельдің басқа бөлігіне ауысады, ал нәтижедегі жаңа конформация молекулаларды беттен 0,3 нанометрге шығарады. Бұл биіктік айырмашылығы жад нүктесі үшін жеткілікті. Мұндай наножазбалық қабықты қалай жою әлі белгісіз.
Номенклатура
Қабылданған номенклатура бойынша ротаксанның құрамдас бөліктерінің саны жақша ішінде префикс ретінде белгіленеді. Сондықтан, бір мамонт пішіндес аксиалды молекуладан және оның тігізінен бір макроциклден тұратын ротаксан [2]ротаксан деп аталады, ал диалкилфосфаттың орталық фосфат тобының айналасындағы екі цианостар молекуласы [3]ротаксан болып табылады.