Una storia delle molecole innovarici: Dai commputer ai composti ciclici

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.

Che cosa è una molecola meccanicamente collegata (MIM) e come essi ha avanzato la nostra comprensione della chimica?

Una molecola meccanicamente collegata è una che contiene un'obbligazione meccanica. Un'obbligazione meccanica è differente da qualunque tipo precedente di legame in chimica poichè comprende un trattamento d'infilatura di una componente molecolare con un altro.

Ci sono due tipi archetipo di molecole meccanicamente collegate. Il primo è chiamato un catenane e questo è derivato dalla parola latina per la catena, “catena„. L'esempio più semplice sarebbe due anelli collegati.

Rappresentazioni grafiche di un catenane e di un rotaxane. © Stoddart, J. Fraser. “Ha collegato meccanicamente (MIMs) le navette, le opzioni ed i commputer molecola-Molecolari (conferenza Nobel).„ Edizione internazionale 56,37 (2017) di Angewandte Chemie: 11094-11125.

Dal catenane di scoperta, la nostra comprensione della chimica si è sviluppata con i chimici sintetici come me stesso che divento più avventuroso. Abbiamo fatto i catenanes con tre, quattro e perfino cinque anelli - ha nominato giustamente il Olympiadane. Ad un livello molecolare molto preciso con tutta la caratterizzazione necessaria, ci siamo alzati fino ad un catenane sette negli anni 90. Successivamente, il sacro Graal si è trasformato in qualcosa chiamato un polycatenane - un polimero con un numero senza fine degli anelli collegati.

Come le molecole sono collegate meccanicamente?

La scoperta di MIM è stata resa efficiente dal campo di che cosa è stato chiamato chimica sovramolecolare, che significa “oltre la molecola„. Qui, invece di esame del composto, esaminate un complesso - esaminando due molecole che vengono insieme e che interagiscono a vicenda.

Naturalmente, questo concetto è niente di nuovo ed è in effetti un vasto campo di scienza che ben-è registrata nei nostri recettori biologici e, infine, in droghe che sono presentate nei nostri organismi per interferire spesso con questi recettori. Tuttavia, che scienziati Jean-Marie Lehn e Donald Cram ha portato, era l'aspetto fondamentale di farlo con i sistemi artificiali. Inizialmente, questi sistemi artificiali sono stati basati appena sui grandi anelli chiamati eteri di corona, presentati alla nostra chimica dall'uomo nominato Charles Pedersen.

Nel 1987, il Pedersen onorato Fondazione Nobel, riempie e Lehn per la loro invenzione di chimica sovramolecolare e di questa sinistra noi con una capacità non solo di riunire le componenti molecolari, ma d'altra parte egualmente che si assicura che non potrebbero volare a parte mettendole nel contesto di avere un'obbligazione meccanica.

Faccia prego una generalità della vostra ricerca che comprende le abilità di Rotaxane.

Un tipo di commputer meccanico che ha sorpassato i catenanes in termini di applicazioni è il rotaxane. Ciò è basata su una testa di legno al suo livello più semplice - pensi ad un sollevatore pesi nei giochi olimpici, sollevando i grandi pesi che sono sull'estremità di grandi bastoncini. Poi, come minimo ci sarebbe un anello su questa testa di legno sull'asse. Questo anello, è in parte, libera per muoversi lungo la testa di legno.

La funzionalità squisita che abbiamo notato quando esaminando il movimento di queste componenti molecolari, siamo che gli anelli in un catenane non si muovono in un modo di circumrotational riguardo ad a vicenda - invece, gli anelli ha determinati “punti appiccicosi„ a cui gradiscono essere intorno.

'In 91, abbiamo sistemato avere due punti appiccicosi lungo l'asse di una testa di legno con un anello. Qui, in soluzione, potevamo guardare questo anello saltare fra i due punti appiccicosi con i vari metodi. Con la progettazione particolare abbiamo avuti, stava saltando circa 2.000 volte un il secondo e la abbiamo nominata una navetta molecolare. Quando desymmetrized, ci ha dato un'opzione molecolare. Poi, in seguito, abbiamo continuato a fare i commputer molecolari artificiali.

Che cosa è significato dal termine “commputer molecolare„?

È piuttosto difficile da definire e non c' è accordo totale in comunità scientifica quanto a cui è, come per esempio, fisici esamina i commputer a diversamente ai chimici. Se esaminiamo i tipi di MIM che abbiamo discusso, la differenza principale fra andare da un'opzione ad un commputer è che se accendete un'opzione e la spengete, non dovete fare alcun lavoro al sistema.

Considerando che con un commputer, dovete dimostrare che in una certa forma o vi formate avete fatto un certo lavoro. Avete mosso le componenti in un modo che non desidererebbero solitamente andare senza l'offerta di un combustibile chimico o indicatore luminoso o l'elettricità. È un aspetto di alimentare le molecole con una certa energia per, in alcuni casi, solleva l'energia del sistema molecolare di tutto.

Dalla scoperta del rotaxane, come avete utilizzato i commputer molecolari nel vostro lavoro?

Stiamo lavorando alle pompe molecolari in cui catturiamo gli anelli e li mettiamo su cui chiamerei una pseudo-testa di legno, in cui un'estremità della testa di legno non è un esperto tappo, un anello posso imbrogliarlo e passare il tappo. Possiamo poi inventare una pompa molecolare da un lato della pseudo-testa di legno. Poi, portiamo un anello sopra alla parte di pompaggio e lo pompiamo sopra che cosa può essere descritto come “dosso stradale„, prima di metterlo su una catena di raccolta.

Stiamo sperando di pompare gli anelli sulle catene comuni del polimero in cui non sarebbero normalmente, di modo che come questi anelli ottengono messi sopra e sono tutti che portano le cariche positive molto alte, se vi respingono e possa sollevare l'energia del sistema.

Pittcon recentemente ha annunciato che presenterete il Wallace. H. Conferenza del coltro l'anno prossimo. Che storia racconterete nella vostra conversazione?

Prevedo che qualche gente assista alla mia conversazione per sentire parlare dei commputer molecolari artificiali e del lavoro che porta a quello, in modo da naturalmente farò un'introduzione tanto come me ho descritto qui, dal 1985 fino all'oggi per lo sviluppo di, in primo luogo, il riconoscimento molecolare, quindi la fabbricazione del catenane, il rotaxane, la navetta molecolare, opzione molecolare, sopra al motore molecolare.

Tuttavia, ho ritenuto che in un ambiente quale Pittcon, una riunione dove gli ultimi avanzamenti e scoperte in chimica analitica sono discussi, fosse appropriata da parlare di alcuni esempi di lavoro che è emerso nel nostro laboratorio abbastanza serendipitously, uno nel 2010 ed il secondo nel 2013. Di conseguenza, il titolo che ho scelto è, “scoperta rifornisce la scoperta: Industrie stabilite d'interruzione„.

Le due storie che racconterò sono intorno ai composti chiamati ciclodestrine. Una ciclodestrina è una molecola ciclica che è ottenuta da amido. Nel caso di questo a polimero basato a glucosio, un microrganismo è capace di rottura del polimero a catena e poi di fissatore loro in un cerchio/ciambella.

La nostra scoperta nel 2010 era affascinante a me, poichè abbiamo trovato che una ciclodestrina con otto unità dello zucchero, che ha simmetria ottuplo ma egualmente permuta con quella simmetria quadruplo, ha fatto qualcosa che fosse abbastanza inatteso negli ioni del potassio di presenza. Sei di queste ciambelle vanno formare un cubo, collegato dagli ioni del potassio, quindi questi cubi tutti sono collegati insieme in una struttura estesa che accende per la dimensione del cristallo cubico, che può essere certamente millimetri, se non quasi un centimetro cubico nella dimensione.

Ciò uguaglia con un campo di chimica che è stata molto sviluppato questi ultimi 20 anni chiamati strutture metallorganiche (MOFs). Sono abbastanza felice di sostenere che questo è il solo MOF che è benigno, verde, commestibile e ready per essere utilizzato in tutti i tipi di applicazioni. Nel 2014, piombo alla registrazione di una società chiamata PanaceaNano, sotto il comando di Youssry Botros, che recentemente ha ricevuto il premio dell'innovazione di Chicago per 2018.

Che cosa pensate le tenute future per l'uso del cyclodextrine MOF?

Il prodotto che Youssry ha deciso di andare per colpito me inizialmente. Gli ho chiesto, perché cosmetici?

Ora, rend contoere che questo è un servizio enorme universalmente ed è uno che ha moltissimo a valore aggiunto a. Per metterlo semplicemente, anche se la nostra ciclodestrina è relativamente economica, molto a pochi punti, noi può fare qualcosa che sia abbastanza rivoluzionario quando si tratta del mondo dei cosmetici. La rivoluzione è che avete questa struttura molto altamente porosa.

Andando in avanti, egualmente stiamo esaminando potenzialmente esploranti il servizio sicuro di supplemento.

In generale, è molto emozionante a me. È una cosa per estrarre un premio Nobel, è un'altra cosa per avere la prospettiva di potere da vedere una società forse giungere a buon fine.

Che cosa altre applicazioni della ciclodestrina voi discuteranno a Pittcon?

La seconda scoperta serendipitous comprende una ciclodestrina dell'sei-unità. Di nuovo, gli ioni del potassio sono implicati e rappresentano lo ione positivo. Il contro ione negativo è tetrabromoaurat. Ciò è un atomo dell'oro circondato da quattro bromines ed è negativamente - fatto pagare. Se aggiungete questo sale aalfa-ciclodestrina in soluzione, in pochi minuti, i aghi di stampa che contengono il sale dell'oro sono formati e precipitano fuori. Così, riassumendo, abbiamo un nuovo modo di isolazione dell'oro dalle miniere d'oro.

Per i 150 anni ultimi o così, il cianuro di sodio pricipalmente è utilizzato per isolamento dell'oro in miniere d'oro. Ciò è un cattivo e prodotto chimico amichevole non-ambientale. Sono ottimista che a tempo, ci sarà una forte unità verso avere modi rispettosi dell'ambiente di isolazione dell'oro e che questa soluzione potrebbe essere il nostro al trattamento basato a ciclodestrina.  

Perché godete di di venire agli eventi come Pittcon a dividere la vostra storia? Che cosa gradite la gente a netto dalla vostra conversazione?

Ci sono molte cose che continuano nel nostro laboratorio e che cosa voglio la gente portare via dall'azione di storie I a Pittcon, è che non è così tanto circa me o la mia ricerca; è circa i molti studenti spettacolari che mi aiutano con il mio lavoro in laboratorio ed egualmente sviluppa le loro proprie opportunità.

C'è un gruppo di circa 30 pricipalmente ricercatori postdottorali ed hanno un gran quantità di libertà. Essenzialmente dico a loro, “non state andando vedere molto di Fraser Stoddart, ma avete l'opportunità di venire qui dove c'è buon mezzo finanziario, c'è un ambiente intellettuale di prim'ordine ed avete un'opportunità di lanciare la vostra propria carriera nella ricerca„. Ritengo vero onorato ed ispirato per avvertire una cultura di pratica del mio hobby con i giovani intelligenti.

Che cosa il futuro tiene per la vostra ricerca?

Infine, vorrei essere modulo capace le fondamenta di Stoddart ed avere il mezzo di mettere molta moneta nuovamente dentro la scienza nel modo che penso che dovrebbe essere quello è a sostegno della ricerca dei cieli blu.    

Dove possono i lettori trovare più informazioni?

Circa sir Fraser Stoddart

La carriera accademica di Fraser Stoddart può essere rintracciata attraverso venti e maree da Atene del Nord alla città ventosa accanto al lago Michigan con gli intervalli sull'orlo del carter canadese accanto al lago Ontario, nella Repubblica socialista di South Yorkshire, sugli spazi del Cheshire accanto al Wirral, nelle parti centrali della zona centrale dell'Albione e nella città degli angeli accanto al mare pacifico. È stato un membro della facoltà alla Northwestern University dal 2008. È un professore del comitato dei garanti e un Direttore del centro per la chimica dei sistemi Integrated.

Sir Fraser Stoddart ha pubblicato oltre 1.150 articoli scientifici ed ha ricevuto il premio Nobel in chimica nel 2016, il ` per la progettazione e la sintesi dei commputer molecolari. I suoi interessi della ricerca sono in chimica oltre la molecola, che, combinata con il suo interesse in templation, piombo alla sintesi modello-diretta, in base ai trattamenti molecolari dell'auto-installazione e del riconoscimento, di una vasta gamma di molecole meccanicamente collegate, le varianti bistabili di cui hanno trovato il loro modo sotto forma di opzioni negli apparecchi elettronici e nei delivery system molecolari della droga. In termini di struttura molecolare, la sua ricerca cavalca il regime di dimensione dal disgaggio mesomolecular tutto il modo fino ai livelli nanoscopic, microscopici e macroscopici: comprende interamente i polimeri sintetici e le strutture metallorganiche. Egualmente abbraccia la chimica radicale sia nei domini sovramolecolari che mechanostereochemical.

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