Hadiah Nobel dalam Kimia - 2016 • Gregory Molev • Berita Sains mengenai "Elemen" • Hadiah Nobel, Kimia

Hadiah Nobel dalam Kimia – 2016

Hadiah Nobel dalam Kimia 2016: Jean-Pierre Sauvage (Jean-Pierre Sauvage), Fraser Stoddart (J. Fraser Stoddart) dan Bernard Föringa (Bernard L. Feringa). Imej dari cen.acs.org

Hadiah 2016 Nobel dalam Kimia memenangi Jean-Pierre Sauvage dari University of Strasbourg (Perancis), Fraser Stoddart dari Northwestern University (USA) dan Bernard Föhring dari University of Groningen (Holland). Hadiah berprestij dianugerahkan "untuk reka bentuk dan sintesis mesin molekul" – molekul individu atau kompleks molekul yang boleh membuat pergerakan tertentu apabila tenaga dibekalkan dari luar. Pembangunan selanjutnya dari kawasan ini menjanjikan penemuan-penemuan dalam banyak bidang sains dan perubatan.

Jawatankuasa Nobel secara tetap mencatatkan karya yang, di samping nilai saintifik, masih terdapat sedikit semangat tambahan. Sebagai contoh, dalam penemuan graphene oleh Heim dan Novoselov (lihat Hadiah Nobel dalam Fizik – 2010, "Unsur", 11.10.2010), selain penemuan itu sendiri dan penggunaannya untuk memerhatikan kesan kuantum Hall pada suhu bilik, terdapat butiran teknikal yang luar biasa: lapisan grafit dengan pita mudah. Shechtman, yang menemui quasicrystals, mempunyai sejarah konfrontasi saintifik dengan nobeliate lain yang dihormati, Pauling, yang menyatakan bahawa "tidak ada quasicrystals, tetapi ada quasi-saintis."

Dalam bidang mesin molekul, pada pandangan pertama, tidak ada sorotan sedemikian, jika kita mengecualikan hakikat bahawa salah satu pemenang, Stoddart, mempunyai ksatria (dia bukan yang pertama). Tetapi sebenarnya, ciri penting masih ada. Sintesis mesin molekul adalah hampir satu-satunya kawasan dalam kimia organik akademik yang boleh dipanggil kejuruteraan murni di peringkat molekul, di mana orang merancang molekul dari awal dan tidak menenangkan sehingga ia diterima. Secara semulajadi, terdapat molekul yang sama (ini adalah bagaimana beberapa protein sel organik disusun – myosin, kinesin – atau, contohnya, ribosom), tetapi orang masih jauh dari tahap kerumitan sedemikian. Oleh itu, mesin molekul sejauh ini adalah buah minda manusia dari awal hingga akhir, tanpa cuba meniru alam atau menjelaskan fenomena alam yang diperhatikan.

Oleh itu, kita bercakap tentang molekul di mana satu bahagian dapat bergerak relatif terhadap yang lain dengan cara terkawal – sebagai peraturan, menggunakan pengaruh luar dan haba untuk bergerak. Untuk mencipta molekul seperti Sovazh, Stoddard dan Feringa datang dengan prinsip yang berbeza.

Rajah. 1. Catenan, yang terdiri daripada dua cincin, dan ion tembaga, yang menerima atau membuang elektron. Tembaga dengan caj +1 (Cu+) "Lebih suka" untuk mengikat dengan jumlah atom nitrogen yang lebih kecil daripada tembaga dengan cas +2 (Cu2+). Pada salah satu cincin ada dua kawasan yang berlainan – dalam satu ligan dengan dua atom nitrogen, dan di sisi lain – dengan tiga. Oleh itu, semasa pengoksidaan / pengurangan tembaga, cincin, berputar, akan berpaut kepadanya oleh rantau yang sepadan. Putaran boleh pergi kedua-dua cara. Imej dari nobelprize.org

Sauvage dan Stoddard membuat molekul berkaitan mekanikal: catenans – dua atau lebih cincin molekul yang berkaitan berputar relatif kepada satu sama lain (Rajah 1), dan rotaxanes – molekul komposit dua bahagian di mana satu bahagian (cincin) boleh bergerak di sepanjang yang lain (asas lurus ), mempunyai kumpulan volumetrik (stoppers) di sepanjang tepi, supaya cincin "tidak terbang" (Rajah 2).

Rajah. 2 Rotaxan ("molekul piston"), yang terdiri daripada molekul lurus dan cincin bermuatan positif, yang tidak boleh melompat dari molekul lurus kerana kumpulan silikon pukal pada hujungnya. Dua cincin benzena tertanam dalam molekul langsung: satu di antara dua atom nitrogen dan satu lagi di antara dua atom oksigen. Atom nitrogen mudah dioksidakan (mendonorkan suatu elektron), dengan itu membentuk molekul bermuatan positif.Atom oksigen tidak boleh melakukan ini, bagaimanapun, kerana elektronegativiti tinggi mereka, ketumpatan elektron dari cincin benzena menjadi lebih besar daripada atom nitrogen neutral. Cincin bermuatan positif akan ditolak dari rantau yang lebih positif pada molekul lurus. Oleh itu, apabila molekul langsung teroksida (di atas) cincin akan bergerak ke arah benzena dengan atom oksigen, dan apabila molekul langsung neutral (di bawah) – cincin itu akan menjadi "lebih selesa" pada benzena dengan atom nitrogen. Imej dari nobelprize.org

Menggunakan konsep di atas, "molekul angkat", "otot molekul", pelbagai struktur topologi molekular kepentingan teori, dan juga ribosom tiruan yang mampu menghasilkan sintetik protein yang sangat perlahan dibuat.

Pendekatan Feringa pada asasnya berbeza dan sangat elegan (Rajah 3). Di dalam motor molekul Feringi, bahagian berputar molekul tidak dikaitkan secara mekanikal, tetapi oleh ikatan kovalen yang paling nyata – ikatan rangkap karbon-karbon. Putaran kumpulan di sekeliling ikatan berganda tanpa pengaruh luaran adalah mustahil.Pendedahan sedemikian boleh penyinaran ultraviolet: bercakap secara kiasan, ultraviolet terpilih air mata satu ikatan menjadi satu dua, membolehkan putaran untuk pecahan sesaat. Pada masa yang sama, dalam semua kedudukan, molekul Feringi ditekankan secara struktural dan ikatan berganda dipanjangkan. Apabila menghidupkan molekul, ia mengikuti ketahanan minimum, cuba mencari kedudukan dengan voltan terendah. Dia tidak boleh melakukan ini, tetapi pada setiap peringkat dia bertukar hampir secara eksklusif dalam satu arah.

Rajah. 3 Prinsip pengoperasian motor molekul Feringa. Dengan penyinaran UV, setiap kali terdapat putaran 180 °, hasilnya ikatan berganda dipulihkan dan molekul yang lebih sengit diperolehi. Untuk melegakan ketegangan, molekul berputar lebih banyak menggunakan tenaga terma, dan dengan itu meninggalkan satu jalur putaran dengan penyinaran selanjutnya. Imej dari nobelprize.org

Motor sedemikian dengan pengubahsuaian kecil, seperti yang ditunjukkan pada tahun 2014, mampu melakukan kira-kira 12 juta revolusi sesaat (J. Vachon et al., 2014. Motor molekul aktif ultrafast foto). Penggunaan yang paling indah dari motor Feringa ditunjukkan dalam "nanomachine" pada substrat emas (Gamb.4). Empat enjin, diikat dengan gaya roda ke molekul panjang, berputar dalam satu arah, dan "kereta" bergerak maju.

Rajah. 4 Nanomachine pada permukaan emas. Imej dari cen.acs.org

Pada masa ini, motor molekul sedang dibangunkan, yang boleh diaktifkan dengan cahaya yang kelihatan dan bukannya UV. Dengan bantuan motor sedemikian, mungkin akan mengubah tenaga suria menjadi tenaga mekanik dengan cara yang tidak pernah berlaku sebelum ini – memintas elektrik.

Dalam karya paling terkini, yang diterbitkan dalam Journal of the American Chemical Society (Jacs), Fering menunjukkan reka bentuk motor, kelajuan putaran yang boleh dikawal oleh tindakan kimia, seperti ditunjukkan dalam rajah. 5. Apabila menambah molekul effector (logam dichloride – zink Zn, palladium Pd atau platinum Pt) ke motor molekul, yang kedua mengubah konformasi, yang memudahkan putaran. Pengukuran menunjukkan bahawa pada 20 ° C daripada tiga pengesan yang diuji, motor berputar terpantas dengan platinum (dengan kekerapan 0.13 Hz), sedikit lebih perlahan dengan palladium (0.035 Hz) dan lebih perlahan dengan zink (0.009 Hz). Kelajuan maksimum motor tanpa penguat ialah 0.0041 Hz. Fenomena yang diperhatikan telah disahkan oleh perhitungan kuantum mekanikal struktur motor dengan dan tanpa efek.Dari pengiraan, jelas bagaimana perubahan konformasi dan berapa banyak putaran difasilitasi.

Rajah. 5 Pecutan motor rotasi molekul (molekul L1) oleh pengubahsuaian kimia – mengikat molekul effector, yang merupakan dllorid logam MCl2di mana M = Zn (zink), Pd (palladium) atau Pt (platinum). Motor ini mempunyai kumpulan dengan dua atom nitrogen yang mampu mengikat logam. Apabila menambah sebuah effector ke motor molekul, yang terakhir mengubah konformasi, yang memudahkan putaran. Efekor dapat dikeluarkan dari motor dengan menambahkan molekul lain ke larutan yang akan mengikat ke effector lebih dari motor. Imej dari Artikel A. Faulkner et al., 2016. Motor Molekul yang Dipandu Cahaya

Kesimpulannya, perlu dikatakan bahawa motor molekul masih belum dijumpai aplikasi dalam kehidupan seharian, tetapi hampir pasti ini adalah masa dan dalam masa terdekat kita akan melihat penggunaan aktif mereka.

Sumber:
1) Hadiah Nobel dalam Kimia 2016 – pengumuman rasmi Jawatankuasa Nobel.
2) Mesin Molekul – kajian terperinci mengenai karya para pemenang, yang disediakan oleh Jawatankuasa Nobel.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa, dan Sander J. Wezenberg. Motor Molekul Dipandu Cahaya / Peraturan Allosterik Kelajuan Putaran Jurnal Persatuan Kimia Amerika. 26 September 2016. V. 138 (41). P. 13597-13603. DOI: 10.1021 / jacs.6b06467.

Gregory Molev


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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