Uma história de moléculas inovativas: Das máquinas aos compostos cíclicos

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.

Que são uma molécula mecanicamente bloqueada (MIM) e como ele avançaram nossa compreensão da química?

Uma molécula mecanicamente bloqueada é uma que contem uma ligação mecânica. Uma ligação mecânica é diferente de qualquer tipo precedente de ligação na química porque envolve um processo rosqueando de um componente molecular com outro.

Há dois tipos arquétipos de moléculas mecanicamente bloqueadas. O primeiro é chamado um catenane, e este é derivado da palavra latino para a corrente, “corrente”. O exemplo o mais simples seria dois anéis bloqueados.

Representações gráficas de um catenane e de um rotaxane. © Stoddart, J. Fraser. “Bloqueou mecanicamente (MIMs) canelas, interruptores, e máquinas molécula-Moleculars (a leitura de Nobel).” Edição internacional 56,37 de Angewandte Chemie (2017): 11094-11125.

Desde o catenane da descoberta, nossa compreensão da química tornou-se com os químicos sintéticos como mim mesmo que torna-se mais aventuroso. Nós fizemos catenanes com três, quatro e mesmo cinco anéis - nomeou apropriadamente o Olympiadane. A nível molecular muito preciso com toda a caracterização necessária, nós levantamo-nos até um catenane sete nos anos 90. Subseqüentemente, o Santo Graal transformou-se algo chamado um polycatenane - um polímero com um número infinito de anéis bloqueados.

Como as moléculas se tornam bloqueadas mecanicamente?

A descoberta de MIM foi feita eficiente pelo campo do que foi chamado a química supramolecular, que significa “além da molécula”. Aqui, em vez de olhar um composto, você olha um complexo - examinando duas moléculas que vêm junto e que interagem um com o otro.

Naturalmente, este conceito é nada de novo, e é de facto um campo largo da ciência que bem-é gravada em nossos locais biológicos do receptor e, finalmente, nas drogas que são introduzidas em nossos corpos para interferir frequentemente com estes locais do receptor. Contudo, que cientistas Jean-Marie Lehn e Donald Cram lhe trouxe, era o aspecto fundamental de fazê-lo com sistemas artificiais. Inicialmente, estes sistemas artificiais foram baseados apenas nos grandes anéis chamados os éteres de coroa, introduzidos a nossa química por um homem nomeado Charles Pedersen.

Em 1987, a fundação de Nobel Pedersen honrado, comprime, e Lehn para sua invenção da química supramolecular, e da esta esquerda nós com uma capacidade para trazer não somente junto componentes moleculars, mas por outro lado igualmente certifica-se que não poderiam voar distante pondo os no contexto de ter uma ligação mecânica.

Dê por favor uma vista geral de sua pesquisa que envolve as capacidades de Rotaxane.

Um tipo de máquina mecânica que alcançou catenanes em termos das aplicações é o rotaxane. Isto é baseado em um peso a seu nível mais simples - pense de um weightlifter nos Jogos Olímpicos, levantando os grandes pesos que estão na extremidade de uma haste grande. Então, mìnima haveria um anel neste peso no eixo. Este anel, é em certa medida, livra para mover-se ao longo do peso.

A característica excelente que nós observamos quando olhando o movimento destes componentes moleculars, somos que os anéis em um catenane não se movem em uma maneira do circumrotational no que diz respeito a se - em lugar de, os anéis tem determinados “pontos pegajosos” de que gostam de ser em torno.

'Em 91, nós arranjamos para ter dois pontos pegajosos ao longo do eixo de um peso com um anel. Aqui, na solução, nós podíamos olhar este anel saltar entre os dois pontos pegajosos por vários métodos. Com o projecto particular nós tivemos, saltava aproximadamente 2.000 vezes um o segundo e nós nomeamo-lo uma canela molecular. Quando nós desymmetrized a, deu-nos um interruptor molecular. Então, mais tarde, nós fomos sobre fazer máquinas moleculars artificiais.

Que é significado pelo termo “máquina molecular”?

É um pouco difícil definir e não há um acordo total na comunidade científica a respeito do que é, como por exemplo, físicos olha as máquinas a diferentemente aos químicos. Se nós olhamos os tipos de MIM que nós discutimos, a diferença principal entre ir de um interruptor a uma máquina é que se você gira um interruptor sobre e o desliga, você não tem que fazer nenhum trabalho ao sistema.

Considerando que com uma máquina, você tem que demonstrar que em alguma forma ou forma-o fez algum trabalho. Você moveu componentes em uma maneira que geralmente não desejariam ir sem a fonte de um combustível químico ou luz ou electricidade. É uma matéria de alimentar as moléculas com alguma energia, em alguns casos, levanta a energia do sistema molecular do todo.

Desde a descoberta do rotaxane, como você usou máquinas moleculars em seu trabalho?

Nós temos trabalhado nas bombas moleculars onde nós tomamos os anéis e os pomos no que eu chamaria um pseudo--peso, onde uma extremidade do peso não seja um bujão desenvolvido, um anel posso deslizar sobre ele e passar sobre o bujão. Nós podemos então planejar uma bomba molecular em um lado do pseudo--peso. Então, nós trazemos um anel sobre à parcela de bombeamento e bombeamo-lo sobre o que pode ser descrito como de “uma colisão velocidade”, antes de pô-la em uma corrente de coleta.

Nós estamos esperando bombear anéis nas correntes comuns do polímero onde não estariam normalmente, de modo que como estes anéis obtêm postos sobre, e são todos que levam cargas positivas muito altas, se repelissem e o possa levantar a energia do sistema.

Pittcon anunciou recentemente que você estará apresentando o Wallace. H. Leitura da relha no próximo ano. Que história você estará dizendo em sua conversa?

Eu espero que alguns povos atenderão a minha conversa para se ouvir sobre máquinas moleculars artificiais e o trabalho que conduz àquele, assim que naturalmente eu darei uma introdução bem como mim descrevi aqui, desde 1985 até o presente dia para a revelação de, antes de mais nada, o reconhecimento molecular, então a factura do catenane, o rotaxane, a canela molecular, interruptor molecular, sobre ao motor molecular.

Contudo, eu senti que em um ambiente tal como Pittcon, uma reunião onde os avanços e as descobertas os mais atrasados na química analítica fossem discutidos, ele era apropriada para falar sobre alguns exemplos do trabalho que emergiu em nosso laboratório bastante serendipitously, um em 2010 e o segundo em 2013. Conseqüentemente, o título que eu escolhi é, “Serendipity aviva a descoberta: Indústrias estabelecidas de interrupção”.

As duas histórias que eu direi são em torno dos compostos chamados ciclodextrinas. Uma ciclodextrina é uma molécula cíclica que seja obtida do amido. No caso deste polímero glicose-baseado, um micro-organismo é capaz de quebrar a corrente do polímero e então de fixá-los em um círculo/filhós.

Nossa descoberta em 2010 era fascinante a mim, porque nós encontramos que uma ciclodextrina com oito unidades do açúcar, que tivesse a simetria óctupla mas igualmente comuta com essa simetria da quatro-dobra, fez algo que era bastante inesperado nos íons do potássio da presença. Seis destas filhóses vão formar um cubo, ligado por íons do potássio, a seguir estes cubos todos são ligados junto em uma estrutura prolongada que vá sobre para o tamanho do cristal cúbico, que pode ser certamente milímetros, se não quase um centímetro cúbico em tamanho.

Isto iguala com um campo da química que foi muito desenvolvido estes últimos 20 anos chamados estruturas metal-orgânicas (MOFs). Eu estou bastante feliz reivindicar que este é o único MOF que é benigno, verde, comestível, e para se aprontar para ser usado em todos os tipos das aplicações. Em 2014, conduziu ao registo de uma empresa chamada PanaceaNano, sob a liderança de Youssry Botros, que recebeu recentemente a concessão da inovação de Chicago para 2018.

Que você pensa as posses futuras para o uso do cyclodextrine MOF?

O produto que Youssry decidiu ir para chocado me inicialmente. Eu perguntei-lhe, por que cosméticos?

Agora, eu realizo que este é um mercado enorme no mundo inteiro e é um que lhe tem muito de valor acrescentado. Para pô-lo simplesmente, mesmo que nossa ciclodextrina seja relativamente barata, muito em poucas etapas, nós pode fazer algo que é bastante revolucionário quando se trata do mundo dos cosméticos. A revolução é que você tem esta estrutura muito altamente porosa.

Indo para a frente, nós igualmente estamos olhando potencial de exploração o mercado seguro do suplemento.

Total, é muito emocionante a mim. É uma coisa para ganhar um prémio nobel, ele é uma outra coisa para ter a perspectiva de poder ver talvez uma empresa vir à fruição.

Que outras aplicações da ciclodextrina você estarão discutindo em Pittcon?

A segunda descoberta serendipitous envolve uma ciclodextrina da seis-unidade. Além disso, os íons do potássio são involvidos e representam o íon positivo. O íon contrário negativo é tetrabromoaurat. Este é um átomo do ouro cercado por quatro bromines, e é negativamente - cobrado. Se você adiciona este sal à alfa-ciclodextrina na solução, dentro de minutos, as agulhas que contêm o sal do ouro é formado e precipita para fora. Assim, em resumo, nós temos uma maneira nova de isolar o ouro das minas de ouro.

Por os últimos 150 anos ou assim, o cianureto de sódio é usado principalmente para o isolamento do ouro em minas de ouro. Este é um produto químico desagradável, e non-environmentally amigável. Eu sou optimista que a tempo, haverá uma movimentação forte para ter maneiras a favor do meio ambiente de isolar o ouro, e que esta solução poderia ser nosso processo ciclodextrina-baseado.  

Por que você aprecia vir aos eventos como Pittcon compartilhar de sua história? Que você gosta de povos a neto de sua conversa?

Há muitas coisas que vão sobre em nosso laboratório e o que eu quero os povos a levar embora das histórias mim compartilho em Pittcon, sou que não é tanto sobre mim ou minha pesquisa; é sobre muitos estudantes espectaculares que me ajudam com meu trabalho no laboratório, e igualmente desenvolve suas próprias oportunidades.

Há um grupo de aproximadamente 30 principalmente pesquisadores pos-doctoral e têm uma enorme quantidade da liberdade. Eu digo-lhes essencialmente, “você não está indo ver muito de Fraser Stoddart, mas o you've obteve a oportunidade de vir aqui onde há um bom recurso financeiro, há um ambiente intelectual de primeira ordem, e você tem uma oportunidade de lançar sua própria carreira na pesquisa”. Eu sinto honrado verdadeiramente e inspirado para experimentar uma cultura de praticar meu passatempo com os jovens brilhantes.

Que o futuro guardara para sua pesquisa?

Finalmente, eu gostaria de ser formulário capaz a fundação de Stoddart e para ter os meios de pôr muito dinheiro de novo na ciência na maneira que eu penso que deve ser aquela são a favor da pesquisa dos céus azuis.    

Onde podem os leitores encontrar mais informação?

Sobre o senhor Fraser Stoddart

A carreira académico de Fraser Stoddart pode ser seguida com grosso e diluir da Atenas do norte à cidade ventosa ao lado do Lago Michigan com interlúdios na borda do protector canadense ao lado do Lago Ontário, na república socialista de South Yorkshire, nas planícies de Cheshire ao lado do Wirral, na região central da Inglaterra do coração de Albion, e na cidade dos anjos ao lado do mar calmo. Foi um membro da faculdade na Universidade Northwestern desde 2008. É uma placa de depositários professor e director do centro para a química de sistemas Integrated.

O senhor Fraser Stoddart publicou sobre 1.150 papéis científicos e foi concedido o prémio nobel na química em 2016, o ` para o projecto e a síntese de máquinas moleculars'. Seus interesses da pesquisa estão na química além da molécula, que, combinada com seu interesse no templation, conduziu à síntese molde-dirigida, com base em processos moleculars do reconhecimento e do auto-conjunto, de uma vasta gama de moléculas mecanicamente bloqueadas, variações bistable de que encontraram sua maneira sob a forma dos interruptores em dispositivos electrónicos e em sistemas de entrega moleculars da droga. Em termos da estrutura molecular, sua pesquisa escarrancha o regime do tamanho da escala mesomolecular toda a maneira até os níveis nanoscopic, microscópicos e macroscópicos: inclui completamente polímeros sintéticos e estruturas metal-orgânicas. Igualmente abraça a química radical nos domínios supramoleculares e mechanostereochemical.

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