Motor molecular sintètic
Un motor molecular sintètic és una màquina molecular capaç de rotar en resposta a una entrada d'energia. Encara que el terme "motor molecular" tradicionalment ha segut utilisat per a referir-se a una proteïna natural que induïx el moviment (a través de la dinàmica de proteïnes), també s'utilisa el terme per a referir-se als motors no biològics, motors sintètics no peptídicos. Molts químics estan buscant sintetisar estos motors moleculars.[1] L'idea de la possibilitat de crear motors moleculars sintètics va sorgir per primera volta en el discurs There's Plenty of Room at the Bottom, pel pioner de la nanotecnología Richard Feynman en 1959.
Els requisits bàsics per a un motor sintètic són els moviments repetitius de 360°, el consum d'energia i la rotació unidireccional. Els dos primers esforços en este sentit varen ser el motor químic portat a terme pel Dr. T. Ross Kelly, de l'Universitat de Boston en els seus colaboradors, i el motor de llum creat pel Feringa i el seu equip de treball, que es varen publicar en 1999 en el mateix número de Nature. En 2008, Petr Král i companyers de treball varen propondre motors túnel dels electrons que giren contínuament per un torque permanent, obrint la possibilitat de realisació pràctica d'una màquina real de motor molecular. S'espera que els informes de més esforços en este camp aumenten a mida que la comprensió de la química i la física en el nivell nanométrico és amplien.
Motors giratoris moleculars impulsats químicament
[editar | editar còdic]
Un primer eixemple d'un motor molecular sintètic químicament impulsat va ser reportat per Kelly i els seus colaboradors en 1999.[2] El seu sistema es compon d'un rotor de tres fulls de tripticeno i una heliceno, capaç de realisar una rotació unidireccional de 120 °.
Esta rotació ocorre en cinc passos. El grup amino present en el tripticeno es convertix en un grup isocianato per condensació en fosgeno (a). Una rotació tèrmica o espontànea al voltant de l'enllaç central du el grup isocianato a la proximitat del grup hidroxilo ubicat en la porció heliceno (b), permetent aixina que estos dos grups reaccionen entre sí (c). Esta reacció irreversible atrapa el sistema com un uretano cíclico tensionado que és major en energia i per lo tant energèticament més prop de la barrera d'energia rotacional que l'estat original. Per lo tant, la rotació adicional de la fracció tripticeno requerix només una cantitat relativament chicoteta d'activació tèrmica en la finalitat de superar esta barrera, lliberant aixina la tensió (d). Finalment, la separació del grup uretano restaura les funcionalitats d'amina i l'alcohol de la molècula (i).
El resultat d'esta seqüència d'events és una rotació unidireccional de 120° de la fracció de tripticeno sobre la fracció heliceno. Ademés, una rotació cap a avant o cap a arrere del rotor tripticeno és inhibida pel restant heliceno. La rotació unidireccional del sistema és un resultat tant de l'inclinament asimètric de la fracció heliceno, aixina com de la tensió del uretano cíclico que està format en c. Esta tensió solament pot ser disminuïda per la rotació en el sentit de les agulles del rellonge del rotor tripticeno en d, ya que tant la rotació en sentit antihorario, aixina com el procés invers de d són energèticament desfavorables. En este sentit, la preferència per la direcció de rotació és determinada per les posicions d'abdós grups funcionals i per la forma del heliceno; aixina, la direcció esta determinada pel disseny de la molècula, en lloc de ser establida per factors externs
El motor creat per Kelly i els seus colaboradors és un elegant eixemple de cóm l'energia química pot ser utilisada per a induir moviment unidireccional rotacional controlat, un mecanisme que s'assembla al consum d'ATP en els organismes en la finalitat d'alimentar numerosos processos. No obstant, sofrix d'un sério inconvenient: la seqüència d'events que conduïx a la rotació de 120° no és repetible. Kelly i els seus colaboradors han buscat formes d'estendre el sistema per a que esta seqüència es puga realisar en vàries ocasions. Desgraciadament, els seus intents de conseguir este objectiu no han tingut èxit i en l'actualitat el proyecte ha segut abandonat.[3]
Dos eixemples adicionals de motors moleculars químics que han segut reportats fan us de l'obertura d'anell estereoselectiva d'una lactona racémica biarilo a través de l'us de reactius quirales, lo que resulta en una rotació de 90° dirigida d'un arilo sobre l'atre arilo. Branchaud i alguns colaboradors han reportat que este enfocament, seguit per un pas del tancament d'anell adicional, es pot utilisar per a conseguir una rotació irrepetible de 180°.[4] Feringa i atres colaboradors utilisen este enfocament en el disseny d'una molècula que puga rotar 360° repetidament.[5] La rotació completa d'este motor molecular es porta a terme en quatre etapes. En les fases A i C, la rotació del restant arilo està restringit, encara que l'inversió de l'hèliç és possible. En les fases B i D el arilo pot girar sobre el naftaleno en interaccions estéricas que impedixen al arilo passar al naftaleno. El cicle de rotació es compon de quatre passos induïts químicament que realisen la conversió d'una etapa a la següent. Passos 1 i 3 són reaccions asimètriques d'obertura d'anell que fan us d'un reactiu quiral en la finalitat de controlar la direcció de la rotació del arilo. Els passos 2 i 4 consistixen en la desprotección del fenol, seguit per la formació regioselectiva de l'anell. Fins ara, este motor molecular és l'únic eixemple d'un motor rotatiu artificial completament químicament impulsat que és capaç de rotar 360 °.
Motors moleculars impulsats per la llum
[editar | editar còdic]
En 1999 el laboratori del Professor Dr. Ben L. Feringa en l'Universitat de Groningen, Països Baixos va informar la creació d'un rotor molecular unidireccional.[6] El sistema del seu motor molecular, en capacitat de rotar 360°, consistix en un bis-heliceno conectats per un alqueno d'enllaç doble que mostra quiralidad axial i posseïx dos estereocentros.
Un cicle de rotació unidireccional tarda 4 etapes de reacció. El primer pas és un fotoisomerización endotèrmica a baixa temperatura de les rets trans ( P , P ) isòmer 1 de la cis ( M , M ) 2, a on P representa l'hèliç dreta i M l'hèliç esquerra. En este procés, els dos grups metilo axials es convertixen en dos grups metilo equatorials estéricamente menys favorables.
En aumentar la temperatura a 20 °C, estos grups metilo es convertixen de nou, exotérmicament, als grups ( p , p ) cis axials (3) en una inversió d'hèliç. Degut a que l'isòmer axial és més estable que l'isòmer equatorial, la rotació inversa està bloquejada. Una segona fotoisomerización convertix (P , P ) cis 3 en ( M , M ) trans 4, una atra volta en la formació dels grups metilo equatorials estéricamente desfavorables. Un procés d'isomerización tèrmica a 60 °C tanca el cicle de 360 ° i retorna a les posicions axials.
El principal obstàcul a superar és el llarc temps de reacció per a la rotació completa d'estos sistemes, que no es compara en les velocitats de rotació de les proteïnas motores en els sistemes biològics. En el sistema més ràpit fins a la data, en una mija inferior de fluoreno, la vida mija de l'inversió d'hèliç tèrmica és de 0,005 segons.[7] Este compost es va sintetisar utilisant la reacció de Barton-Kellogg. En esta molècula l'etapa més llenta en la seua rotació, l'induïda tèrmicament hèliç-inversió, es creu que deu procedir molt més ràpidament per la major llongitut del terc-butil que fa que l'isòmer inestable siga inclús menys estable que quan el grup metilo s'utilisa. Açò es deu a que l'isòmer inestable és més desestabilisat que l'estat de transició que conduïx a l'hèliç-inversió. El comportament diferent de les dos molècules s'ilustra pel fet de que el temps de vida mija per al compost en un grup metilo en lloc d'un grup terc-butil és de 3,2 minuts.[8]
El principi Feringa s'ha incorporat en un prototip nanocoche. [9] El coche sintetisat té un motor de heliceno derivat en un oligo (fenileno etinileno) chassis i quatre rodes carborano i s'espera que siga capaç de moure's sobre una superfície sòlida en un sistema de microscopía de túnel, encara que fins ara açò no ha segut observat. El motor no funciona en rodes de fullereno perque apaguen la fotoquímica de la fracció del motor. La capacitat de certs sistemes Feringa per a actuar com un catalisador asimètric també s'ha demostrat.[9][10]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Synthetic Molecular Motors Jordan R. Quinn [enllaç trencat]
- ↑ Unidirectional rotary motion in a molecular system T. Ross Kelly, Harshani De Silva and Richard A. Silva Nature 1999, 401, 150-152. doi:10.1038/43639 PMID 10490021
- ↑ Progress toward a Rationally Designed, Chemically Powered Rotary Molecular Motor T. Ross Kelly, Xiaolu Cai, Fehmi Damkaci, Sreeletha B. Panicker, Bin El teu, Simon M. Bushell, Ivan Cornella, Matthew J. Piggott, Richard Salives, Marta Cavero, Yajun Zhao, and Serge Jasmin J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 376-386. Abstract
- Archivat el 11 de febrer de 2008 archivat en Wayback Machine.
- ↑ Net directed 180° aryl–aryl bond rotation in a prototypical achiral biaryl lactone synthetic molecular motor Ying Lin, Bart J. Dahl and Bruce P. Branchaud Tetrahedron Lett. 2005, 46, 8359-8362. Abstract
- ↑ (2005).Science.310(5745)
- 80–2.doi:10.1126/science.1117090.
- ↑ Light-driven monodirectional molecular rotor Nagatoshi Koumura, Robert W. J. Zijlstra, Richard A. van Delden, Nobuyuki Harada, Ben L. Feringa Nature 1999, 401, 152-155. doi:10.1038/43646]
- ↑ Fine Tuning of the Rotary Motion by Structural Modification in Light-Driven Unidirectional Molecular Motors Javier Vicari, Martin Walko, Auke Meetsma and Ben L. Feringa J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 5127-5135. Abstract
- Archivat el 11 de febrer de 2008 archivat en Wayback Machine.
- ↑ Controlling the speed of rotation in molecular motors. Dramatic acceleration of the rotary motion by structural modification Javier Vicari, Auke Meetsma and Ben L. Feringa Chem. Commun., 2005, 5910-5912, doi:10.1039/b507264f
- ↑ Dynamic Control of Chiral Space in a Catalytic Asymmetric Reaction Using a Molecular Motor Science 18 March 2011: Vol. 331 no. 6023 pp. 1429-1432 doi:10.1126/science.1199844
- ↑ Heat and Light Switch a Chiral Catalyst and Its Products Science 18 March 2011: Vol. 331 no. 6023 pp. 1395-1396 doi:10.1126/science.1203272
- Este artícul conté una traducció derivada de «Motor molecular sintético» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.