Nobelova nagrada u kemiji - 2016. • Gregory Molev • Znanstvena vijest o "Elementima" • Nobelove nagrade, kemiju

Nobelova nagrada u kemiji – 2016

Nobelova nagrada u kemiji 2016: Jean-Pierre Sauvage (Jean-Pierre Sauvage), Fraser Stoddart (J. Fraser Stoddart) i Bernard Föringa (Bernard L. Feringa). Slika od cen.acs.org

Nobelova nagrada za kemiju 2016. osvojila je Jean-Pierre Sauvage sa Sveučilišta u Strasbourgu (Francuska), Fraser Stoddart sa Sveučilišta Northwestern (SAD) i Bernarda Föhringa sa Sveučilišta u Groningenu (Nizozemska). Prestižnu nagradu dodijeljena je "za dizajn i sintezu molekularnih strojeva" – pojedinačne molekule ili molekularni kompleksi koji mogu izvesti određene pokrete kad se energija isporučuje izvana. Daljnji razvoj ovog područja obećava napredak u mnogim područjima znanosti i medicine.

Nobelovo povjerenstvo redovito bilježi rad u kojem, pored znanstvene vrijednosti, još uvijek postoji još jedan dodatak. Tako je, primjerice, u otkriću grafena Heim i Novoselov (osim Nobelove nagrade u fizici – 2010, "Elements", 11.10.2010), osim samog otkrića i njegove primjene za promatranje kvantnog efekta Hall na sobnoj temperaturi, bili su izvanredni tehnički detalji: slojeve grafita s jednostavnom vrpcom. Shechtman, koji je otkrio kvasikristale, imao je povijest znanstvenog sukoba s drugim cijenjenim nobelovcima, Paulingom, koji je izjavio da "nema kvazikristala, ali postoje kvazi-znanstvenici".

Na području molekularnih strojeva, na prvi pogled, ne postoji takav naglasak ako isključimo činjenicu da jedan od pobjednika, Stoddart, ima vitez (on nije prvi). No, u stvari, još uvijek postoji važna značajka. Sinteza molekularnih strojeva gotovo je jedino područje akademske organske kemije koja se može nazvati čisti inženjering na molekularnoj razini, gdje ljudi dizajniraju molekulu od nule i ne smiruju dok se ne primaju. Naravno, postoje slične molekule (tako se organiziraju neki proteini organskih stanica – miozin, kinezini – ili, na primjer, ribosomi), ali ljudi su još uvijek daleko od takve razine složenosti. Zato, do sada molekularni strojevi su plod ljudskog uma od početka do kraja, bez pokušaja imitacije prirode ili objašnjavanja promatranih prirodnih fenomena.

Dakle, govorimo o molekulama u kojima se jedan dio može pomicati u odnosu na drugu na kontrolirani način – obično pomoću nekih vanjskih utjecaja i topline za kretanje. Da bi stvorili takve molekule, Sovaz, Stoddard i Feringa su se razvili s različitim principima.

Sl. 1. Katenan, koji se sastoji od dva prstena i bakrenog iona, koji prima ili otpušta elektron. Bakar s nabojem od +1 (Cu+) "Preferira" vezati s manjim brojem dušikovih atoma od bakra s nabojem od +2 (Cu2+). Na jednom od prstena postoje dvije različite regije – u jednom ligandu s dva dušikova atoma, au drugoj – s tri. Tako, tijekom oksidacije / redukcije bakra, prsten, rotirajući, pridržava se odgovarajućom regijom. Rotacija može ići oba načina. Slika od nobelprize.org

Sauvage i Stoddard napravili su mehanički povezane molekule: catenans – dva ili više povezanih molekularnih prstenova koji su međusobno rotirajući (Slika 1) i rotaksani – kompozitne molekule dvaju dijelova u kojima se jedan dio (prsten) može pomicati duž druge (ravna baza ), imaju volumetrijske skupine (zatvarači) duž rubova, tako da prsten "ne leti" (Slika 2).

Sl. 2. Rotaxan ("molekularni klip"), koji se sastoji od ravne molekule i pozitivno nabijenog prstena, koji ne mogu skočiti s ravne molekule zbog skupnih silikonskih skupina na krajevima. Dva benzenska prstena su ugrađena u izravnu molekulu: jedan između dva atoma dušika i drugi između dva atoma kisika. Atomi dušika lako se oksidiraju (donirati elektron), čime se stvara pozitivno nabijenu molekulu.Atomi kisika ne mogu to učiniti, međutim, zbog njihove visoke elektregradnosti, gustoću elektrona iz benzenskog prstena u većoj mjeri nego neutralni dušikovi atomi. Pozitivno nabijeni prsten odbija se iz pozitivnije nabijene regije na ravnoj molekuli. Dakle, kada je izravna molekula oksidirana (na vrhu) prsten se kretati prema benzenu s kisikovim atomima, a kada je izravna molekula neutralna (odozdo) – prsten će biti "ugodniji" na benzenu s dušikovim atomima. Slika od nobelprize.org

Koristeći gore navedeni koncept, stvoreni su "molekularni liftovi", "molekularni mišići", različite molekularne topološke strukture teorijskog interesa, pa čak i umjetni ribosom sposoban za vrlo polagano sintetiziranje kratkih proteina.

Feringin pristup bio je temeljito drugačiji i vrlo elegantan (Sl. 3). U molekularnom motoru Feringi, rotirajući dijelovi molekule nisu međusobno povezani mehanički, već najkvalitetnija kovalentna veza – dvostruka veza ugljik-ugljik. Nemoguće je zakretanje skupina oko dvostruke veze bez vanjskog utjecaja.Takva izloženost može biti ultraljubičasto zračenje: figurativno govoreći, ultraljubičasto selektivno suze jednu vezu u dvostruku, omogućujući rotaciju u djeliću sekunde. Istovremeno, na svim položajima, molekula Feringi je strukturno naglašena i dvostruka veza je izdužena. Prilikom okretanja molekule slijedi najmanje otpor, nastojeći pronaći položaj s najnižim naponom. Ne može to učiniti, ali se na svakoj fazi gotovo isključivo okreće u jednom smjeru.

Sl. 3. Načelo rada molekularnog motora Feringa. Uz UV zračenje, svaki put kada je 180 ° rotacija, kao rezultat koji je dvostruka veza je obnovljena i još intenzivnije molekule je dobiveno. Kako bi se ublažio napetost, molekula rotira još nešto pomoću toplinske energije i time ostavlja samo jedan put rotacije uz daljnje zračenje. Slika od nobelprize.org

Takav motor s manjim izmjenama, kao što je prikazano 2014., može raditi približno 12 milijuna okretaja u sekundi (J. Vachon i sur., 2014. Fotoaktivni molekularni motor s iznimno stabilnim uvjetima). Najljepša upotreba Feringa motora prikazana je u "nanomachini" na zlatnom podlogu (sl.4). Četiri motora, vezana za stil kotača na dugu molekulu, okreću se u jednom smjeru, a "automobil" ide naprijed.

Sl. 4. Nanomachine na zlatnoj površini. Slika od cen.acs.org

Trenutno se razvija molekularni motor koji se može aktivirati s vidljivom svjetlošću umjesto UV zračenja. Pomoću takvog motora moguće je pretvoriti sunčevu energiju u mehaničku energiju u potpuno bez presedana – zaobilazeći električnu energiju.

U svom najnovijem radu, objavljenom u Journal of the American Chemical Society (JACS), Fering je pokazao dizajn motora, čija brzina rotacije može biti kontrolirana kemijskim djelovanjem, kao što je prikazano na sl. 5. Prilikom dodavanja efektorske molekule (metalni diklorid – cink Zn, paladij Pd ili platina Pt) na molekularni motor, potonji mijenja konformaciju, što olakšava rotaciju. Mjerenja su pokazala da kod 20 ° C od tri testirana efekta motor najbrže rotira s platinom (frekvencija 0.13 Hz), nešto slabijim s paladijem (0.035 Hz), a još slabiji s cinkom (0.009 Hz). Maksimalna brzina motora bez efekta je 0.0041 Hz. Promatrani fenomen potvrđen je kvantno-mehaničkim proračunima motoričkih struktura sa i bez efektora.Iz izračuna jasno je kako se konformacija mijenja i koliko je rotacija olakšana.

Sl. 5. Ubrzanje rotacije molekulskih motora (L1 molekula) kemijskom modifikacijom – vezanje efektorske molekule, koja je metalni diklorid MCl2gdje M = Zn (cink), Pd (paladij) ili Pt (platina). Motor ima skupinu s dva dušikova atoma koji se mogu vezati za metal. Prilikom dodavanja efektora na molekularni motor, potonji mijenja konformaciju, što olakšava rotaciju. Efektor se može ukloniti iz motora dodavanjem drugih molekula otopini koja će se vezati za efektor više od motora. Slika iz članka A. Faulkner i dr., 2016. Molekularni motor na svjetlosti

Zaključno, valja reći da molekularni motori još nisu pronašli primjenu u svakodnevnom životu, ali je gotovo sigurno da je ovo pitanje vremena, au skoroj budućnosti ćemo vidjeti njihovu aktivnu upotrebu.

izvori:
1) Nobelova nagrada u kemiji 2016 – službena priopćenje Nobelovog odbora.
2) Molekularni strojevi – detaljan pregled rada laureata, pripremljen od strane Nobelovog odbora.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa i Sander J. Wezenberg. Molekularni motor / alosterička regulacija brzine rotacije Časopis Američkog kemijskog društva, 26. rujna 2016. V. 138 (41). 13597-13603. DOI: 10.1021 / jacs.6b06467.

Gregory Molev


Like this post? Please share to your friends:

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