Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging

Jiawen Chen; J&#233;r&#244;me Vachon; Ben L. Feringa

doi:10.3791/58750

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Chemie

Lichtgetriebenen molekularen Motoren auf Oberflächen für einzelne molekulare Bildgebung

Published: March 13, 2019

doi:

10.3791/58750

Jiawen Chen¹, Jérôme Vachon¹, Ben L. Feringa¹

¹Stratingh Institute for Chemistry,University of Groningen

Summary

Das Manuskript wird beschrieben, wie zu synthetisieren und Transplantat einen molekulare Motor auf Oberflächen für einzelne molekulare Bildgebung.

Abstract

Das Design und die Synthese eines synthetischen Systems, das Ziel für die direkte Visualisierung von einer synthetischen Drehmotor der Ebene der einzelnen Moleküls auf Oberflächen werden demonstriert. Diese Arbeit erfordert sorgfältige Planung, synthetischen Aufwand und genaue Analyse. Die Drehbewegung des molekularen Motors in Lösung ¹H NMR und UV-Vis Absorption Spektroskopie Techniken zeigen. Darüber hinaus ist die Methode, um den Motor auf ein Amin-beschichtete Quarz-Transplantat beschrieben. Diese Methode hilft, mehr Einblick in molekulare Maschinen.

Introduction

In lebenden Organismen gibt es reichlich molekulare Motoren funktionieren um Alltag aufrecht zu erhalten. Sie sind in der Lage, verschiedene Aufgaben wie Brennstoff-Produktion, Transport, Mobilität, etc.¹. Von der Inspiration dieser faszinierende Beispiele in der Natur haben, Wissenschaftler eine Reihe von künstlichen molekulare Motoren in den letzten Jahrzehnten, verschiedene Arten von Energie in kontrollierte Bewegung auf der molekularen Ebene² umzuwandeln entwickelt ^, ³ ^, ⁴ ^, ⁵ ^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰. drei Pioniere auf diesem Gebiet erhielt den Nobelpreis für Chemie im Jahr 2016. Ben Feringa, einer der Preisträger, hat den lichtgetriebenen molekularen Motor entwickelt, der in der Lage, kontinuierliche unidirektional Drehbewegung zu unterziehen ist.

Brownsche Bewegung, auch bekannt als die zufällige Bewegung durch molekulare Kollisionen und Vibrationen, ist jedoch auf molekularer Ebene, in der Regel das größte Hindernis für einen weiteren Antrag dieser molekularen Motoren. Brownsche Bewegung kann eine gerichtete Bewegung stören. Beschränken die molekularen Motoren auf Oberflächen kann eine der Optionen, um dieses Problem zu überwinden sein. Auf diese Weise wird die relative Drehung eines Teils des Moleküls in Bezug auf die andere in die absolute Drehung des Rotors im Verhältnis zu der Oberfläche¹¹konvertiert. Darüber hinaus kann die einzelne molekulare bildgebende Technik der Bewegung visualisieren. Daher werden die Ergebnisse dieser Arbeit helfen, mehr Einblick in die synthetische molekulare Motor.

Die Pionierarbeit von Yoshida und Kinosita (Abbildung 2a)¹²^,¹³ diente als Inspiration für das Design in der aktuellen Arbeit, dargestellt in Abbildung 2 b. Die untere Hälfte der lichtgetriebenen molekularen Motor ist zu einer Oberfläche zu dienen als der Stator befestigt. Der Rotor-Teil ist mit einem steifen Arm und fluoreszierende Label funktionalisiert. Wenn Sie zwei verschiedene Bestrahlung Wellenlängen auf das System anwenden, löst man die Drehrichtung des Motors, während der andere das fluoreszierende Tag begeistern. Im Prinzip löst die Drehbewegung des Rotors Teil die Rotation der Fluoreszenz-Gruppe. Daher kann die Rotation des fluoreszierenden Tags defokussierten Weitfeld-Fluoreszenzmikroskopie folgen. Diese Methode bietet zum ersten Mal eine Methode, um absolute Drehung, und daher ein Weg, um die Rotation eines synthetischen Motors visualisieren die Relativdrehung der molekularen Motor umzuwandeln.

Dieser Artikel enthält Details über Design, Synthese und Lösung Isomerisierung Studien molekulare Motoren, die für einzelne molekulare Bildgebung verwendet wird. Die molekulare Struktur ist in Abbildung 3dargestellt. Darüber hinaus ist die Methode, um molekulare Motoren auf Quarzoberfläche Anhängen beschrieben.

Protocol

Hinweis: Organischer Synthese ist der große Kern dieses Projektes. Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Schritte und wie das Zielmolekül zu erreichen. 1. Vorbereitung der 1 b Hinweis: Lösungsmittel wurden analysenrein erworben. Synthese von Keton (3)Hinweis: Am Anfang ist eine fünfköpfige Ring Keton 2 mit einer Iodo-Gruppe funktionalisiert weil es mehr reaktiv ist. Diese Reaktion erfolgt unter Argon-Atmosphäre. In einer versiegelten Tube (100 mL) mit 2 (640 mg, 2,3 Mmol), CuI (219 mg, 1,1 Mmol) und NaI (3,44 g, 23 Mmol), fügen Sie 1,4-Dioxan (50 mL) und N, N’-Dimethyl-Ethylenediamine (202 mg, 2,3 Mmol). Die Reaktionstemperatur auf 140 ° C eingestellt und rühren Sie für 24 h. Abkühlen der Mischung auf Raumtemperatur (RT), das Lösungsmittel im Vakuum zu entfernen und reinigen Sie das restliche Material durch Flash-Chromatographie: SiO2 (40 g); Laufmittel: Pentan: EtOAc = 10:1 (Gesamt = 550 mL). Das Produkt sollte als eine gelbe, klebrige Öl (642 mg, 91 %) bezogen werden. Synthese von Motor 5Hinweis: Verwenden der Barton-Kellogg Reaktion der zentrale Doppelbindung zu bilden. Diese Reaktion erfolgt unter Argon. In einem 50 mL Rundboden Kolben hinzufügen Lawessons Reagens (415 mg, 1,1 Mmol), Keton 3 (219 mg, 0,68 Mmol) und Toluol (10 mL). Erhitzen Sie die Mischung am Rückfluß für 2 h und anschließend verdunsten Sie des Lösungsmittels. Reinigen den Rückstand durch Flash-Spalte: SiO2 (24 g), Eluent: Pentan: Ethylacetat = 30: 1 (Gesamt = 155 mL) zu den entsprechenden Thioketone zu erhalten, die anschließend in 20 mL THF eine blaue Lösung weichen Bodensatz ist. Die blaue Lösung eine THF-Lösung (20 mL) von diazo zusammengesetzte 4 (476 mg, 1,37 Mmol) hinzu, und rühren Sie die neu gemischte Lösung bei 50 ° C über Nacht.Hinweis: Dies ist der wichtigste Schritt der ganzen Synthese. Die diazo Verbindung und Thioketone Lösung muss frisch sein und sollten vor der Reaktion erfolgen. Verdampfen des Lösungsmittels und reinigen den Rückstand durch Chromatographie: SiO2 (24 g), Eluent: Pentan: CH2Cl2 = 10:1 (Gesamt = 220 mL) motor 5 (250 mg, 50 %) liefern als roter Feststoff. Synthese von Motor 6Hinweis: Wenn die zentrale Doppelbindung gebildet wird, ersetzen Sie die Iodo-Gruppe durch eine Acetylen-glyko-. Hinzufügen einer 20 mL Schlenk Rohr 3 (165 mg, 0,26 Mmol), Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 Mol-%), CuI (5 Mol-%). Fügen Sie THF (10 mL) und (Ich-Pr)2NH (2 mL), die mit Argon für 10 min vor sprudelte sein sollte. Rühren Sie die Mischung für 10 min bei RT. Fügen Sie dann Triisopropylsilyl Acetylen (42 mg, 0,27 Mmol). Rühren Sie die Mischung für 15 h, dann gießen Sie sie in eine wässrige gesättigten NH4Cl-Lösung (25 mL). Extrahieren Sie die Mischung mit CH2Cl2 (3 x 20 mL). Weiter waschen die kombinierten organischen Schichten mit gesättigten Sole und trocken (Na2SO4). Das Lösungsmittel zu entfernen und reinigen Sie die Rückstände durch Flash-Chromatographie: SiO2 (12 g), Eluent: Pentan: CH2Cl2 = 10:1 (220 mL) 8 als braune Öl (171 mg, 99 %) ergeben. Synthese von Motor 8Hinweis: Diese Reaktion ist unter Argon durchgeführt. 1, 4dioxane ein Gemisch von Pinacol Ester 7 (240 mg, 0,71 Mmol), 6 (161 mg, 0,24 Mmol), K3PO4 (300 mg, 1,44 Mmol) und Pd (PPh3)4 (98 mg, 0.096 Mmol) einrühren (20 mL) bei 90 ° C in einem 50 mL Schlenk Schlauch für 16 h. Cool das Gemisch auf RT, verdünnen Sie es mit Ethylacetat (30 mL), und führen Sie die Filtration mit einem Glasfilter. Das Lösungsmittel zu entfernen. Reinigen Sie die Rückstände durch Flash-Säulenchromatographie: SiO2 (12 g), Eluent: Pentan: CH2Cl2= 1:6 (total = 122 mL) um Ester 8 als braune Öl (156 mg, 56 %) zu erzielen. Synthese von Motor 9 TBAF (0,1 mL) einer Projektmappe hinzufügen von 8 (120 mg, 0,13 Mmol) in THF (10 mL) in ein 20 mL Schlenk Rohr bei 0 ° C. Rühren Sie die Mischung bei 0 ° C für 1 h, dann gießen Sie sie in eine wässrige gesättigten NH4Cl-Lösung (20 mL). Nach der Extraktion mit KCHL3 (3 x 10 mL), waschen Sie die kombinierten organischen Schichten mit gesättigten Sole und trocken (Na2SO4). Das Lösungsmittel zu entfernen und reinigen Sie die Rückstände durch Flash-Chromatographie: SiO2 (12 g), Eluent: Pentan: Ethylacetat = 1:3 (124 mL) 9 als dunkle rote Öl (116 mg, 95 %) ergeben. Synthese von Motor 12Hinweis: Diese Reaktion ist unter Argon durchgeführt. Hinzufügen einer 20 mL Schlenk Rohr motor 9 (75 mg, 0,10 Mmol), PBI 11 (68 mg, 0,10 Mmol) Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 Mol%), CuI (5 Mol-%). Fügen Sie THF (10 mL) und (Ich-Pr)2NH (2 mL), die mit Argon für 10 min vor sprudelte sein sollte. Rühren Sie die Mischung über Nacht und gießen Sie sie in eine wässrige gesättigten NH4Cl-Lösung. Nach der Extraktion mit KCHL3 (3 x 20 mL), waschen Sie die kombinierten organischen Schichten mit gesättigten Sole und trocken (Na2SO4). Das Lösungsmittel zu entfernen und reinigen Sie die Rückstände durch Flash-Chromatographie: SiO2 (12 g), Eluent: KCHL3 (100 mL), motor 12 als solide dunkelrot (66 mg, 57 %) ergeben. Synthese von motor 1 bHinweis: Wenn die Ester-Verbindung erhalten wird, um das Endziel-Molekül zu machen Hydrolyseneigung. Lösen Sie die Ester 12 (90 mg, 0,038 Mmol) in THF (5 mL), MeOH (5 mL) und NaOH(aq) (1 M, 5 mL auf) in ein 50 mL Fläschchen und erhitzen Sie die Mischung auf 75 ° C für 16 h. Abkühlen der Mischung auf RT und 5 mL Wasser hinzufügen. Entfernen Sie die THF und MeOH durch rotary verdampfen. Titrieren Sie die Mischung mit HCl(aq) (1 M) bis zu einem pH-Wert von 1 bis einen braunen Niederschlag bilden. Filtrat die Mischung und die braune Feststoff mit kaltem Wasser (10 mL) waschen und trocknen im Vakuum. Dieses braune solide ist die Ziel-Molekül 1 b (55 mg, 85 %). 2. Vorbereitung des Motors funktionalisiert Monolage MS-1 b Quarz-Folien durch Eintauchen in eine Piranha-Lösung reinigen (3:7 Verhältnis von 30 % H2O2 H2SO4) bei 90 ° C für 1 h spülen reichlich mit doppelt destilliertem Wasser 3 x, dann spülen mit MeOH. Trocknen Sie die Folien unter einen Stream von N2 vor Oberflächenmodifizierung. Silanize der Piranha gereinigt Quarz gleitet durch Eintauchen in einer 1 mM Lösung von 3-Aminopropyl (Diethoxy) Methylsilane in frisch destillierten Toluol bei RT für 12 h spülen reichlich mit Toluol und MeOH. Beschallen Sie den Quarz zunächst in Toluol, dann in MeOH, und trocknen Sie sie unter einem Strom von Argon. Tauchen Sie die Amin-beschichtete Folien in DMF-Lösung 1 b (10-4 M) bei RT für 12 h. Waschen Sie der Objektträger mit MeOH, DMF und Wasser, dann trocknen Sie sie unter einem Strom von Argon. Nach dem Trocknen sind die Folien für den Einsatz bereit.

Representative Results

Bestrahlung des molekularen Motors erfolgt mit UV-Licht (λMax. = 365 nm). Bei der Bestrahlung tritt eine Foto-induzierte E-Z -Isomerisierung rund um die zentralen Doppelbindung. Während dieses Prozesses wird das Molekül aus einem Stall zu einem instabilen Isomer verwandelt. Ein thermisch aktivierten Helix Inversion Schritt folgt dann um die Belastung des gesamten Moleküls zu lösen. Dies führt zu stabilen Ursprungszustand. 1 H-NMR-Spektroskopie wird dann eingesetzt, um den rotary Prozess (Abb. 4a). Eine Lösung der Probe erstellt, bei dem ein NMR-Röhrchen, dann eine Lampe von UV-Licht (λMax. = 365 nm) befindet sich neben dem Rohr. Nach 2 h der Bestrahlung finden Sie verschiedene Änderungen in der 1H-NMR-Spektrum. Diese Veränderungen zeigen die Generation eine neue Isomer, das betrachtet wird, zu instabil-1 b (Abbildung 4 b). Es sieht in der 1H-NMR-Spektroskopie, die Heine von 2,9 ppm (Wams) auf 3,3 ppm (doppelte Wams) verschiebt. Das Signal bei 1,4 ppm als Absorption der Methylgruppe zugeordnet werden kann, und es downfield verschiebt sich von 1,4 ppm bis 1,6 ppm. Wenn die Probe über Nacht bei Raumtemperatur im Dunkeln gehalten wird, kann das ursprüngliche Spektrum wiederhergestellt (Abb. 4a). Es zeigt den Prozess der thermischen Helix-Inversion, die instabil-1 b in Stall-1 b umwandelt. Um die Drehbewegung des Motors 1 b Studie über Oberflächen, Oberfläche befestigt Motorbaugruppen MS-1 b (MS = Motor auf Oberflächen) sind bereit. Die Quarz-Folien sind zunächst mit Amin funktionalisiert. Nach diesem Schritt wird die Quarz in einer DMF-Lösung (10-4 M) 1 b bei RT über Nacht getaucht. Die daraus resultierende Quarz wird mit MeOH, DMF und Wasser gespült. Die vorbereiteten Quarz-Folien werden dann zur UV/Vis-Studien vorgelegt. Abbildung 5 bzeigt ein UV/Vis-Absorptionsspektrum des MS-1 b (durchgezogene Linie). Wie im Spektrum gesehen, sind die großen Absorptionsbande und Absorption Profil ähnlich dem in Lösung (Abb. 5a) beobachtet. Es zeigt auch die charakteristischen Absorptionen für Motor (420 nm) und PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Diese Spitzen schlagen die erfolgreiche Befestigung der motor 1 b zu den Amin-beschichteten Oberflächen. Darüber hinaus wird die Quarz-Folie für 15 min bestrahlt, und spektrale Veränderungen sind ähnlich wie die Lösung unter Angabe der instabilen MS-1 b-Generation beobachtet. Abbildung 1 : Synthetische Schema zur Vorbereitung der Ziel-Molekül 1 b. Das Schema zeigt die Reagenzien, Lösungsmittel und Reaktionsbedingungen, die verwendet werden in jedem Schritt. Abbildung 2 : (ein) schematische Darstellung der Struktur des F0F1-ATPase, die auf eine Oberfläche für die Visualisierung der unidirektionalen Rotation (reproduziert mit Erlaubnis12) aufgepfropft. (b) Konzeption eine synthetische Oberfläche gebundene lichtgetriebenen molekularen Motor für die Einzelmolekül-Bildgebung. Abbildung 3 : Struktur einer Oberfläche gebundene molekulare motor 1 b, trägt einen steifen langen Arm zwischen motorischen Kern und PBI Label. Abbildung 4 : Aliphatischen Region der 1 H-NMR-Spektren von motor 1 b (CD2Cl2,-20 ° C, C = 10-3 M) (ein) Stall-1 b, vor der Bestrahlung (365 nm). (b) Foto stationären Zustand Mischung nach der Bestrahlung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 5 : UV/Vis-Absorptionsspektren. UV/Vis-Absorptionsspektren von (einem) motor 1 b (CH2Cl2, 0 ° C), stabile Isomer (durchgezogene Linie) und instabilen Isomer (gestrichelte Linie) an PSS. (b) MS-1 b (Quarz, 4 ° C) vor (durchgezogene Linie) und nach der Bestrahlung (gestrichelte Linie).

Discussion

Dieses Projekt beinhaltet eine erhebliche Menge an synthetischen Arbeit; Daher ist die wichtigste Schritt organische Synthese gegenüber der letzten Molekül. Unter die Totalsynthese ist die Barton-Kellogg Reaktion der wichtigste Schritt, denn es ist die Reaktion der zentrale Doppelbindung des molekularen Motors gegründet. Derzeit haben verschiedene Methoden, diese Arten von Strukturen zu bilden. Hier diazo-Thioketone Kupplung eingesetzt, und die oberen und unteren Hälften als die diazo und Thioketone Verbindungen bzw. vorbereitet worden. Thioketone und diazo Verbindungen sind in der Regel nicht unter Luft stabil; Daher erfordert die Reaktion schnell untersteht einem streng inerter Atmosphäre.

Bestehende Methoden beschränken, molekulare Motoren auf den Oberflächen basieren meist auf bipodal Systeme. Jedoch waren die Isomerisierung Prozesse der zuvor entworfenen bipodal Motoren aufgrund der intermolekularen Wechselwirkungen behindert. Darüber hinaus einige Beispiele der bipodal erfordert eine weitere Aktivierung vor der Anlage. Die aktuelle Methode erreicht dies in tetrapodal Weise, die robuste Befestigung des Motors auf Flächen mit ausreichend isolierten Raum bietet.

Eine Einschränkung dieser Methode ist die Wahl des fluoreszierenden Tags. Nur Farbstoffe mit bestimmten Wellenlängen sind zulässig, da die Rotation des Motors durch die 365 nm Wellenlänge erfolgt und somit nicht überlappt werden. Darüber hinaus erfordert der Syntheseweg in das beschriebene Protokoll gegenüber dem Zielmolekül beschäftigt mehrere Schritte in denen raue Bedingungen für den Abschluss der Reaktion erforderlich sind. In der Zukunft eine facile synthetische Design wahrscheinlich bedarf es einer weiter fortgeschrittenen Molekül für einzelne molekulare Bildgebung erforderlich ist.

Abschließend wird das Design und die Synthese von einem hoch funktionalisierten lichtgetriebenen molekularen Motor zum ersten Mal beschrieben. Einige Details der synthetischen Bemühungen werden auch diskutiert. Darüber hinaus Methoden, um den Motor auf eine Quarz-Folie-Oberfläche veredelt werden gezeigt, und die Probe kann zur Visualisierung der einzelnen Molekularbewegung¹⁴weiter getestet werden.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch die niederländische Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO-CW), der Europäische Forschungsrat (ERC, advanced Grant Nr. 694345, B.L.F.), und das Ministerium für Bildung, Kultur und Wissenschaft (Gravitation Programm keine. 024.001.035).

Materials

NMR spectrometer	Varian	AMX400	for proton nmr study
Reagent for organic reactions	Sigma	analytical grade	reagent for organic reactions
Silica gel	Merck	230-400 mesh ASTM	Flash chromatography
Solvent	Acros	spectrophotometric grade	Flash chromatography
UV lamp	ENB	280C	for UV-vis irradation
UV-vis absorption spectrophotometer	JASCO	V-630	UV-vis measurment

Referenzen

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Diesen Artikel zitieren

Chen, J., Vachon, J., Feringa, B. L. Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging. J. Vis. Exp. (145), e58750, doi:10.3791/58750 (2019).