Nobelprisen i kjemi - 2016 • Gregory Molev • Vitenskapelig nyhet om "Elementer" • Nobelprisene, kjemi

Nobelprisen i kjemi – 2016

Nobelprisen i kjemi 2016: Jean-Pierre Sauvage (Jean-Pierre Sauvage), Fraser Stoddart (J. Fraser Stoddart) og Bernard Föringa (Bernard L. Feringa). Bilde fra cen.acs.org

2016 Nobelprisen i kjemi vant Jean-Pierre Sauvage fra Universitetet i Strasbourg (Frankrike), Fraser Stoddart fra Northwestern University (USA) og Bernard Föhring fra Universitetet i Groningen (Holland). Den prestisjetunge prisen ble tildelt "for design og syntese av molekylære maskiner" – individuelle molekyler eller molekylære komplekser som kan gjøre visse bevegelser når energi leveres fra utsiden. Videreutvikling av dette området lover gjennombrudd på mange områder av vitenskap og medisin.

Nobelkomiteen noterer seg regelmessig arbeidet der, i tillegg til vitenskapelig verdi, er det fortsatt noe ekstra. Så, for eksempel, i oppdagelsen av grafen av Heim og Novoselov (se Nobelprisen i fysikk – 2010, "Elements", 11.10.2010), i tillegg til selve oppdagelsen og bruken av det for å observere quantum Hall-effekten ved romtemperatur, var det bemerkelsesverdige tekniske detaljer: flaking lag med grafitt med enkelt tape. Shechtman, som oppdaget quasicrystals, hadde en historie med vitenskapelig konfrontasjon med en annen respektert nobeliate, Pauling, som sa at "det er ingen kvasikrystaller, men det er kvasi-forskere."

På molekylære feltet, ved første øyekast, er det ikke noe høydepunkt hvis vi utelukker at en av vinnerne, Stoddart, har en ridderdom (han er ikke den første). Men faktisk er en viktig funksjon fortsatt der. Syntetiseringen av molekylære maskiner er nesten det eneste området innen faglig organisk kjemi som kan kalles ren engineering på molekylivå, hvor folk designer et molekyl fra grunnen og ikke roer seg til den er mottatt. I naturen er det selvsagt lignende molekyler (dette er hvordan noen proteiner av organiske celler er ordnet – myosin, kinesiner – eller for eksempel ribosomer), men folk er fortsatt langt fra et slikt nivå av kompleksitet. Derfor er molekylære maskiner hittil frukt fra det menneskelige sinn fra begynnelse til slutt uten å prøve å etterligne naturen eller forklare naturlige fenomener som observeres.

Så, vi snakker om molekyler der en del er i stand til å flytte i forhold til den andre på en kontrollert måte – som regel, ved hjelp av delvis ytre påvirkninger og varme for å bevege seg. For å lage slike molekyler Sovazh, kom Stoddard og Feringa opp med forskjellige prinsipper.

Fig. 1. Catenan, bestående av to ringer, og en kobberion, som mottar eller gir bort et elektron. Kobber med en kostnad på +1 (Cu+) "Prefers" å binde med et mindre antall nitrogenatomer enn kobber med en belastning på +2 (Cu2+). På en av ringene er det to forskjellige regioner – i en ligand med to nitrogenatomer, og i den andre – med tre. Under oksidasjon / reduksjon av kobber vil således ringen, som roterer, holde seg fast ved den tilsvarende region. Rotasjon kan gå begge veier. Bilde fra nobelprize.org

Sauvage og Stoddard laget mekanisk koblede molekyler: katenaner – to eller flere sammenhengende molekylringer som roterer i forhold til hverandre (figur 1), og rotakaner – komposittmolekyler av to deler hvor en del (ring) kan bevege seg langs den andre (rett base ), med volumetriske grupper (propper) langs kantene, slik at ringen "ikke flyr av" (figur 2).

Fig. 2. Rotaxan ("molekylært stempel"), bestående av et rett molekyl og en positivt ladet ring, som ikke kan hoppe av det rette molekylet på grunn av de store silikongrupper i endene. To benzenringer er innebygd i direkte molekylet: ett mellom to nitrogenatomer og det andre mellom to oksygenatomer. Nitrogenatomer oksyderes lett (donere en elektron), og danner derved et positivt ladet molekyl.Oksygenatomer kan ikke gjøre dette, men på grunn av deres høye elektronegativitet, de elektron-tetthet fra benzenringen i større grad enn nøytrale nitrogenatomer. En positivt ladet ring vil bli avstøt fra en mer positivt ladet region på en rett molekyl. Så når det direkte molekylet oksyderes (på toppen) ringen vil bevege seg mot benzen med oksygenatomer, og når det direkte molekylet er nøytralt (nedenfra) – ringen vil bli "mer behagelig" på benzen med nitrogenatomer. Bilde fra nobelprize.org

Ved å bruke det ovennevnte konseptet ble det opprettet en "molekylær løft", "molekylære muskler", ulike molekylære topologiske strukturer av teoretisk interesse og til og med et kunstig ribosom som kunne lage langsomt syntetiserende korte proteiner.

Feringas tilnærming var fundamentalt forskjellig og veldig elegant (figur 3). I Feringi-molekylmotor er ikke de roterende delene av molekylet koblet mekanisk, men ved den mest ekte kovalente binding – karbon-karbon-dobbeltbinding. Rotasjon av grupper rundt et dobbeltbond uten ekstern innflytelse er umulig.Slike eksponering kan være ultrafiolett bestråling: Figurativt snakker ultrafiolett selektivt en binding i en dobbel, slik at rotasjonen kan bli delt i en delt sekund. Samtidig er Feringi-molekylet i alle posisjoner strukturert stresset og dobbeltbindingen er langstrakt. Når man dreier et molekyl, følger det minst motstand, og prøver å finne en posisjon med lavest spenning. Hun kan ikke gjøre dette, men i hvert trinn vender hun nesten utelukkende i en retning.

Fig. 3. Operasjonsprinsippet for molekylærmotoren Feringa. Med UV-bestråling, hver gang er det en 180 ° rotasjon, som et resultat av hvilken dobbeltbinding gjenopprettes og et enda mer intenst molekyl oppnås. For å lindre spenningen, roterer molekylet noe mer ved hjelp av termisk energi, og etterlater dermed bare en rotasjonsvei med ytterligere bestråling. Bilde fra nobelprize.org

En slik motor med mindre modifikasjoner, som vist i 2014, er i stand til å utføre ca. 12 millioner omdreininger per sekund (J. Vachon et al., 2014. En ultrasnabb, fotoaktiv molekylær motor). Den vakreste bruken av Feringa-motoren ble demonstrert i en "nanomaskin" på et gullsubstrat (fig.4). Fire motorer, knyttet til stilen til hjulene til et langt molekyl, roterer i en retning, og "bilen" går fremover.

Fig. 4. Nanomaskin på en gylden overflate. Bilde fra cen.acs.org

For tiden utvikles en molekylær motor som kan aktiveres med synlig lys i stedet for UV. Ved hjelp av en slik motor vil det være mulig å konvertere solenergi til mekanisk energi på en helt uten sidestykke – omgå elektrisitet.

I sitt siste arbeid, publisert i Journal of the American Chemical Society (JACS) Viste Fering motorenes konstruksjon, hvor rotasjonshastigheten kan styres av kjemisk virkning, som vist i fig. 5. Når man legger til et effektormolekyl (metalldiklorid – sink Zn, palladium Pd eller platina Pt) til molekylmotor, endrer sistnevnte konformasjonen, noe som letter rotasjonen. Målinger viste at ved 20 ° C av de tre testede effektorene roterer motoren det raskeste med platina (med en frekvens på 0,13 Hz), litt langsommere med palladium (0,035 Hz) og enda tregere med sink (0,009 Hz). Motorens maksimale hastighet uten effektor er 0.0041 Hz. Det observerte fenomenet ble bekreftet ved kvantemekaniske beregninger av motorstrukturer med og uten effektorer.Fra beregningene er det tydelig hvordan konformasjonen endres og hvor mye rotasjon som blir lettere.

Fig. 5. Accelerasjon av molekylmotorrotasjonen (L1-molekylet) ved kjemisk modifikasjon – binding av effektormolekylet, som er MCl-metalldiklorid2hvor M = Zn (sink), Pd (palladium) eller Pt (platina). Motoren har en gruppe med to nitrogenatomer som er i stand til å binde seg til metallet. Når man legger til en effektor til en molekylær motor, endrer sistnevnte konformasjonen, noe som letter rotasjonen. Effektoren kan fjernes fra motoren ved å legge til andre molekyler i løsningen som vil binde til effektoren mer enn motoren. Bilde fra artikkel A. Faulkner et al., 2016. Lysdrevet molekylmotor

Avslutningsvis må det sies at molekylære motorer ennå ikke har funnet applikasjoner i hverdagen, men nesten sikkert er dette et spørsmål om tid og i nær fremtid vil vi se deres aktive bruk.

kilder:
1) Nobelprisen i kjemi 2016 – den offisielle kunngjøringen fra Nobelkomiteen.
2) Molekylære maskiner – En detaljert gjennomgang av laureats arbeid, utarbeidet av Nobelkomiteen.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa og Sander J. Wezenberg. Lysdrevet molekylær motor / allosterisk regulering av rotasjonshastigheten Journal of the American Chemical Society. 26. september 2016. V. 138 (41). P. 13597-13603. DOI: 10,1021 / jacs.6b06467.

Gregory Molev


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: