Une histoire des molécules novatrices : Des machines aux composés cycliques

Thought LeadersSir Fraser StoddartDirector of the Center for the Chemistry of
Integrated Systems, Board of Trustees Professor
Northwestern University

An interview with Professor Stoddart, 2016 Nobel Laureate in Chemistry, conducted by Alina Shrourou, BSc.

Quelle est une molécule mécaniquement enclenchée (MIM) et comment elles a avancé notre compréhension de chimie ?

Une molécule mécaniquement enclenchée est une qui contient une obligation mécanique. Une obligation mécanique est différente de n'importe quel type précédent d'adhérence en chimie car elle comporte un procédé de filetage d'une composante moléculaire par des des autres.

Il y a deux types archétypaux de molécules mécaniquement enclenchées. Le premier est appelé un catenane, et ceci est dérivé du mot latin pour le réseau, « chaîne ». L'exemple le plus simple serait deux sonneries enclenchées.

Représentations graphiques d'un catenane et d'un rotaxane. © Stoddart, J. Fraser. « A mécaniquement enclenché (MIMs) les navettes molécule-Moléculaires, les contacts, et les machines (la conférence Nobel). » Édition internationale 56,37 (2017) d'Angewandte Chemie : 11094-11125.

Depuis le catenane de découverte, notre compréhension de chimie s'est développée avec les pharmaciens synthétiques comme me devenant plus aventureux. Nous avons effectué des catenanes avec trois, quatre et même cinq sonneries - a convenablement nommé l'Olympiadane. À un niveau moléculaire très précis avec toute la caractérisation nécessaire, nous nous sommes levés jusque un catenane sept pendant les années 1990. Par la suite, le Saint Graal est devenu quelque chose appelée un polycatenane - un polymère avec un numéro sans fin des sonneries enclenchées.

Comment les molécules deviennent-elles mécaniquement enclenchées ?

La découverte de MIM a été rendue efficace par l'inducteur de ce qui a été une chimie supramoléculaire appelée, qui signifie « au delà de la molécule ». Ici, au lieu de regarder un composé, vous regardez un composé - examinant deux molécules venant ensemble et agissant l'un sur l'autre les uns avec les autres.

Naturellement, ce concept est rien de neuf, et est en fait un inducteur grand de la science qui bien-est enregistrée dans nos sites biologiques de récepteur et, éventuel, en médicaments qui sont introduits dans nos fuselages pour nuire souvent ces sites de récepteur. Cependant, quels scientifiques Jean-Marie Lehn et Donald Cram lui a amenés, était l'aspect principal de le faire avec les systèmes artificiels. Au commencement, ces systèmes artificiels ont été juste basés sur les éthers de tête appelés de grandes sonneries, introduits à notre chimie par un homme nommé Charles Pedersen.

En 1987, la fondation Nobel Pedersen honoré, fourrent, et Lehn pour leur invention de chimie supramoléculaire, et de cette gauche nous d'une capacité de réunir non seulement les composantes moléculaires, mais d'autre part s'assurent également qu'elles ne pourraient pas voler à part en les mettant dans le contexte de avoir une obligation mécanique.

Veuillez donner une synthèse de votre recherche concernant les capacités de Rotaxane.

Un type de machine mécanique qui a rattrapé des catenanes en termes d'applications est le rotaxane. Ceci est basé sur une haltère à son niveau plus simple - pensez à un haltérophile dans les Jeux Olympiques, en soulevant les grands grammages qui sont sur l'extrémité d'une grande tige. Puis, d'une façon minimum il y aurait une sonnerie sur cette haltère sur l'essieu. Cette sonnerie, est dans une certaine mesure, libèrent pour déménager le long de l'haltère.

La caractéristique exquise que nous avons remarqué quand regardant le mouvement de ces composantes moléculaires, est que les sonneries dans un catenane ne déménagent pas d'une façon de circumrotational en ce qui concerne l'un l'autre - au lieu de cela, les sonneries ont certaines « remarques collantes » autour dont elles aiment être.

Dans '91, nous nous sommes chargés d'avoir deux remarques collantes le long de l'essieu d'une haltère avec une sonnerie. Ici, en solution, nous pouvions observer cette sonnerie sauter entre les deux remarques collantes par des méthodes variées. Avec le modèle particulier nous avons eu, il sautait environ 2.000 fois par seconde et nous l'avons nommé une navette moléculaire. Quand nous desymmetrized la, elle nous a donné une commutation moléculaire. Puis, plus tard, nous avons continué pour effectuer les machines moléculaires artificielles.

Qu'est signifié par le terme « machine moléculaire » ?

Il est plutôt difficile de définir et il n'y a pas convention totale à la communauté scientifique pour ce qu'est il, en tant que par exemple, des physiciens regardent les machines a différemment aux pharmaciens. Si nous regardons les types de MIM que nous avons discuté, la principale différence entre aller d'un contact à une machine est que si vous mettez un contact en marche et le coupez, vous ne devez effectuer aucun travail au système.

Considérant qu'avec une machine, vous devez expliquer que dans une certaine forme ou vous formez avez effectué un certain travail. Vous avez déménagé des composantes d'une voie qu'habituellement elles ne souhaiteraient pas aller sans alimentation en essence chimique ou la lumière ou l'électricité. C'est une question d'alimenter les molécules avec de la certaine énergie, dans certains cas, soulèvent l'énergie du système moléculaire de totalité.

Depuis la découverte du rotaxane, comment avez-vous utilisé les machines moléculaires dans votre travail ?

Nous avions travaillé aux pompes moléculaires où nous prenons les sonneries et les mettons sur ce que j'appellerais une pseudo-haltère, où une extrémité de l'haltère n'est pas un bouchon bon, une sonnerie peux glisser au-dessus de elle et réussir au-dessus du bouchon. Nous pouvons alors concevoir une pompe moléculaire d'un côté de la pseudo-haltère. Puis, nous portons une sonnerie en circuit à la partie de pompage et la pompons au-dessus de ce qui peut être décrite comme « cahot de vitesse », avant de le mettre sur un réseau de rassemblement.

Nous espérons pomper des sonneries sur les réseaux courants de polymère où ils ne seraient pas normalement, de sorte que comme ces sonneries obtiennent mises en circuit, et elles sont toutes qui transportent les charges positives très élevées, elles se repoussent et vous pouvez soulever l'énergie du système.

Pittcon a récent annoncé que vous présenterez le Wallace. H. Conférence de coutre l'année prochaine. Quelle histoire raconterez-vous dans votre entretien ?

Je compte que certains assisteront à mon entretien pour entendre parler des machines moléculaires artificielles et du travail amenant à celui, ainsi naturellement je donnerai une introduction tout comme moi ai décrit ici, à partir de 1985 jusqu'à l'aujourd'hui pour le développement de, tout d'abord, la reconnaissance moléculaire, puis effectuer du catenane, le rotaxane, la navette moléculaire, commutation moléculaire, en circuit au moteur moléculaire.

Cependant, j'ai estimé que dans un environnement tel que Pittcon, un contact où les dernières avances et découvertes en chimie analytique sont discutées, il était approprié de parler de quelques exemples du travail qui a apparu dans notre laboratoire bien serendipitously, un en 2010 et le deuxième en 2013. Par conséquent, le titre que j'ai choisi est, « hasard heureux charge la découverte : Industries déterminées de perturbation ».

Les deux histoires que je raconterai sont autour des cyclodextrines appelées de composés. Une cyclodextrine est une molécule cyclique qui est obtenue à partir de l'amidon. Dans le cas de ce polymère basé sur glucose, un micro-organisme est capable de briser le réseau de polymère et puis de les fixer dans un cercle/beignet.

Notre découverte en 2010 était fascinante à moi, car nous avons constaté qu'une cyclodextrine avec huit éléments de sucre, qui a la symétrie octuple mais permute également avec cette symétrie quadruple, a fait quelque chose qui était tout à fait inattendue dans les ions de potassium de présence. Six de ces beignets vont former un cube, joint par des ions de potassium, puis ces cubes tous sont joints ensemble dans un cadre étendu qui continue pour la taille du cristal cubique, qui peut être certainement des mm, sinon presque un centimètre cubique dans la taille.

Ceci égalise avec un inducteur de la chimie qui a été tout d'abord ce dernier développé les cadres métallo-organiques appelés de 20 ans (MOFs). Je suis tout à fait heureux de prétendre que c'est le seul MOF qui est bénin, vert, comestible, et préparer pour être employé dans toutes sortes d'applications. En 2014, il a mené à l'inscription d'une compagnie PanaceaNano appelé, sous la direction de Youssry Botros, qui a récent reçu la récompense d'innovation de Chicago pour 2018.

Que pensez-vous les futures prises pour l'usage du cyclodextrine MOF ?

Le produit que Youssry a décidé d'aller chercher choqué m'au commencement. Je lui ai demandé, pourquoi cosmétiques ?

Maintenant, je me rends compte que c'est un marché énorme mondial et il est un qui a beaucoup d'à valeur ajoutée à lui. Pour le mettre simplement, quoique notre cyclodextrine soit relativement peu coûteuse, dans très peu d'opérations, nous peut effectuer quelque chose qui est tout à fait révolutionnaire quand il s'agit de monde des cosmétiques. La révolution est que vous avez cette structure très hautement poreuse.

Allant vers l'avant, nous regardons également potentiellement explorants le marché sûr de supplément.

De façon générale, il est très passionnant à moi. C'est une chose pour gagner un prix Nobel, il est une autre chose pour avoir l'espérance de pouvoir voir une compagnie peut-être se réaliser.

Que d'autres applications de cyclodextrine vous discuteront-elles chez Pittcon ?

La deuxième découverte accidentelle concerne une cyclodextrine de six-élément. De nouveau, les ions de potassium sont impliqués et représentent l'ion positif. Le contre- ion négatif est tetrabromoaurat. C'est un atome d'or entouré par quatre bromines, et il est négativement - chargé. Si vous ajoutez ce sel à l'alpha-cyclodextrine en solution, en quelques minutes, des pointeaux contenant le sel d'or sont formés et précipitent à l'extérieur. Ainsi, en résumé, nous avons une voie neuve d'isoler l'or des mines d'or.

Pendant les 150 dernières années ou ainsi, le cyanure de sodium est principalement employé pour l'isolement d'or dans des mines d'or. C'est un mauvais, et non-environmentally amical produit chimique. Je suis optimiste qu'à temps, il y aurai un entraînement intense vers avoir des voies favorables à l'environnement d'isoler l'or, et que cette solution pourrait être notre procédé basé sur cyclodextrine.  

Pourquoi avez-vous plaisir à venir aux événements comme Pittcon pour partager votre histoire ? Que aimez-vous des gens à emporter de votre entretien ?

Il y a beaucoup de choses continuant dans notre laboratoire et ce que je veux que les gens emportent de la part des histoires I chez Pittcon, est qu'il n'est pas tellement au sujet de moi ou de ma recherche ; il est au sujet des nombreux stagiaires spectaculaires qui m'aident avec mon travail dans le laboratoire, et développe également leurs propres opportunités.

Il y a un groupe d'environ 30 principalement chercheurs post-doctoraux et elles ont une énorme quantité de liberté. Je dis essentiellement à elles, « vous n'allez pas voir beaucoup de Fraser Stoddart, mais vous avez l'opportunité de venir ici où il y a bon moyen financier, il y a un environnement intellectuel de premier ordre, et vous avez une opportunité de lancer votre propre carrière dans la recherche ». Je ressens vraiment honoré et inspiré pour remarquer une culture de pratiquer mon passe-temps avec les jeunes gens intelligents.

Que le contrat à terme retient-il pour votre recherche ?

Éventuel, je voudrais être forme capable la fondation de Stoddart et avoir les moyens de mettre beaucoup d'argent de nouveau dans la science de la manière que je pense qu'elle devrait être celle est à l'appui de recherche de cieux bleus.    

Où peuvent les lecteurs trouver plus d'informations ?

Au sujet de monsieur Fraser Stoddart

La carrière scolaire de Fraser Stoddart peut être tracée contre vent et marée d'Athènes du nord à la ville venteuse près du lac Michigan avec des séquences d'élaboration au bord de l'écran protecteur canadien près du lac Ontario, dans la République socialiste de South Yorkshire, sur les plaines de Cheshire près du Wirral, dans les Midlands du centre d'Albion, et dans la ville des anges près de la mer paisible. Il a été un membre du corps enseignant à l'Université Northwestern depuis 2008. Il est un conseil de gestion professeur et directeur du centre pour la chimie des systèmes intégrés.

Monsieur Fraser Stoddart a publié plus de 1.150 articles scientifiques et a été attribué le prix Nobel en chimie en 2016, le ` pour le modèle et la synthèse des machines moléculaires'. Ses intérêts de recherches sont en chimie au delà de la molécule, qui, combinée avec son intérêt pour le templation, a mené à la synthèse matrice-dirigée, basée sur la reconnaissance moléculaire et les procédés en kit, d'un large éventail de molécules mécaniquement enclenchées, des variantes bistables dont ont trouvé leur chemin sous forme de contacts dans les appareils électroniques moléculaires et les systèmes de distribution de médicament. En termes de structure moléculaire, sa recherche écarte les jambes le régime de taille de l'écaille mesomolecular complètement jusqu'aux niveaux nanoscopic, microscopiques et macroscopiques : elle comprend complètement les polymères synthétiques et les cadres métallo-organiques. Il embrasse également la chimie radicale dans les domaines supramoléculaires et mechanostereochemical.

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