化学者はキラル分子プロペラを回転させます

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ビデオ: What is chirality and how did it get in my molecules? - Michael Evans 2022, 12月
化学者はキラル分子プロペラを回転させます
化学者はキラル分子プロペラを回転させます
Anonim
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分子プロペラ回転の走査型トンネル顕微鏡画像を約24度刻みで組み合わせる

米国、日本、フランスの科学者は、ブレードの回転方向に対応して、好ましくは一方向に回転することができるキラル分子プロペラを合成し、特性評価しました。研究者たちは、走査型トンネル顕微鏡を使用して電界で作用することと、プローブでブレードを押すことによって機械的に作用することの両方によって、ブレードを動かすことができました。この作品は、ジャーナルNatureCommunicationsに掲載されました。

Jean-Pierre Sauvage、Fraser Stoddart、Bernard Feringが2016年に分子機械の設計と合成でノーベル賞を受賞して以来、科学者は分子(さらには段階的な分子機械レース)からさまざまな分子ローター、モーター、アセンブリ、その他の可動構造を作成してきました。 )。分子プロペラは、そのような分子の興味深い代表の1つです。自然界では、例えば、それらはいくつかのバクテリアが動き回るのを助けたり、細胞内の輸送に責任があります。自然のプロペラとは異なり、人工のプロペラはより過酷な条件で動作することができます。ただし、多くの場合、可動分子が表面に配置されると、吸着によって分子マシンの効率が大幅に低下します。

米国のアルゴンヌ国立研究所のYuanZhangらは、金属表面に付着し、ブレードを特定の方向に回転させることができるキラル分子プロペラを開発し、テストしました。回転が開始され、走査型トンネル顕微鏡を使用して視覚化されました。

このようなプロペラのブレードは、三脚のように配置された3つの傾斜したインダゾール基で構成されており、ルテニウム原子の上にあり、反対側の端にチオエーテル基があります。固定子(固定部分)は、5つのパラブロモフェニルラジカルを持つシクロペンタジエニル中心によって形成されます。ルテニウム原子はブレードとプロペラの静止部分を調整し、ホウ素原子は上から3つのインダゾール基を結合します。

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分子プロペラの化学式とそのボールモデル(上面図)。濃い赤は臭素原子、黒はシクロペンタジエニル炭素、緑はインダゾール環の化合物原子、灰色は水素、黄色は硫黄、紫はホウ素を示します

科学者たちはプロペラをきれいな金色の表面に置き、すぐにそれらのいくつかが回転していることに気づきました。ブレードを動かすのに80ケルビンの温度に対応する十分な熱エネルギーがおそらくありました。

500の合成分子の統計分析は、シクロペンタジエニル、ルテニウム、およびホウ素原子の中心を時計回りまたは反時計回りに結ぶ軸に沿ってブレードをカールさせる確率がほぼ同じであることを示しました。通常の溶液では、インダゾール基が両方向に活発に振動したため、著者らはキラリティーをまったく観察しませんでした。金属表面でのプロペラブレードの傾きは、ステータフェニルリングがその上にどのように配置されているかによって決まりました。つまり、分子固定子は、ブレードを一方向にのみ回転させるラチェットの役割を果たしました。

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分子プロペラのキラリティーと吸着分子の電子密度分布の理論的に計算された3次元画像

研究者らは、顕微鏡プローブを分子の中心に一定の高さで配置し、ゼロからマイナス3.5ボルトの電圧を印加しました。プロペラが回転し始めると、トンネル電流値が劇的に変化しました。スピンアップ後に顕微鏡画像のブレードの位置を変更することにより、著者はプロペラが実際に機能することを確認しました。

プロペラは機械的にもねじることができました。これを行うには、プローブをブレードの1つの隣の金の表面の上に配置し、分子の中心軸に対してねじる方向に沿って、またはねじる方向に押し付けました。回転を開始するこの方法は、1つのブレードとプロペラ全体の両方の動きにつながりました。

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プロペラの機械的回転の3D画像と、1つのブレードの回転前(d)と回転後(e)の分子の実験的に得られた画像

打ち上げた168個のプロペラのうち、(ブレードの回転方向に応じて)希望の方向に回転したのは132個だけでした。ただし、すべての「間違った」プロペラは1段階の回転(約24度)しか通過できなかったため、著者はプロペラの動きが一方向であることが望ましいと考えています。 」プロペラは2つを通過することができました。さらに、動きの機械的な開始は、ブレードを「間違った」方向に1回転ステップでも回転させることができませんでした。

著者によると、この研究の主なことは、表面にキラル構造を構築する可能性を示したこと、そしてブレードのねじれの原因となったのはステーターであったことです。固定子の部分(したがってブレード)が目的の方向に向けられるように表面を変更することにより、目的の構造のキラル可動分子を設計および作成することが可能です。

他の分子機械については、私たちの資料「試験管機械」で読むことができます。

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