Una historia de moléculas innovadoras: De las máquinas a las composiciones cíclicas

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.

(MIM)¿Cuál es una molécula mecánicamente entrelazada y cómo ellos han avance nuestra comprensión de la química?

Una molécula mecánicamente entrelazada es una que contiene una ligazón mecánica. Una ligazón mecánica es diferente de cualquier tipo anterior de vinculación en química pues implica un proceso que filetea de un componente molecular con otro.

Hay dos tipos arquetipo de moléculas mecánicamente entrelazadas. El primer se llama un catenane, y esto se deriva de la palabra latina para la cadena, “catenaria”. El ejemplo más simple sería dos anillos entrelazados.

Representaciones gráficas de un catenane y de un rotaxane. © Stoddart, J. Fraser. “Entrelazó mecánicamente (MIMs) lanzaderas, los interruptores, y las máquinas molécula-Moleculares (la conferencia Nobel).” Edición internacional 56,37 (2017) de Angewandte Chemie: 11094-11125.

Desde el catenane del descubrimiento, nuestra comprensión de la química se ha convertido con los químicos sintetizados como mí mismo que hacía más aventurero. Hemos hecho catenanes con tres, cuatro e incluso cinco anillos - nombró apropiadamente el Olympiadane. En un nivel molecular muy exacto con toda la caracterización necesaria, nos levantamos hasta un catenane siete en los años 90. Posteriormente, el santo grial se ha convertido en algo llamado un polycatenane - un polímero con un número sin fin de anillos entrelazados.

¿Cómo las moléculas se entrelazan mecánicamente?

El descubrimiento de MIM fue hecho eficiente por el campo de qué se ha llamado la química supramolecular, que significa “más allá de la molécula”. Aquí, en vez de observar una composición, usted observa un complejo - examinando dos moléculas que vienen junto y que obran recíprocamente con uno a.

Por supuesto, este concepto es nada nuevo, y es de hecho un campo amplio de la ciencia que bien-se registra en nuestros sitios biológicos del receptor y, final, en las drogas que se introducen en nuestras carrocerías para interferir a menudo con estos sitios del receptor. Sin embargo, qué científicos Jean-Marie Lehn y Donald Cram le trajo, era el aspecto fundamental de hacerlo con los sistemas artificiales. Inicialmente, estos sistemas artificiales acaban de ser basados en los anillos grandes llamados los éteres de corona, introducidos a nuestra química por un hombre nombrado Charles Pedersen.

En 1987, el asiento Nobel Pedersen honrado, abarrota, y Lehn para su invención de la química supramolecular, y de esta izquierda nosotros con una capacidad no sólo de traer componentes moleculares juntos, pero por otra parte también se asegura de que no podrían volar aparte poniéndolos en el contexto del tener una ligazón mecánica.

Dé por favor una reseña de su investigación que implica las capacidades de Rotaxane.

Un tipo de máquina mecánica que ha alcanzado catenanes en términos de usos es el rotaxane. Esto se basa en una pesa de gimnasia en su nivel más simple - piense en un weightlifter en los Juegos Olímpicos, levantando los pesos grandes que están en el extremo de una varilla grande. Entonces, habría como mínimo un anillo en esta pesa de gimnasia en el eje. Este anillo, está hasta cierto punto, libera para moverse a lo largo de la pesa de gimnasia.

La característica exquisita que notamos cuando observaban el movimiento de estos componentes moleculares, somos que los anillos en un catenane no se mueven de una manera del circumrotational en cuanto a uno a - en lugar, los anillos tiene ciertos “puntos pegajosos” alrededor de los cuales tengan gusto de estar.

En '91, arreglamos tener dos puntos pegajosos a lo largo del eje de una pesa de gimnasia con un anillo. Aquí, en la solución, podíamos mirar este anillo saltar entre los dos puntos pegajosos por diversos métodos. Con el diseño determinado teníamos, saltaba cerca de 2.000 veces al segundo y lo nombramos una lanzadera molecular. Cuando desymmetrized la, nos dio un interruptor molecular. Entonces, después, continuamos hacer las máquinas moleculares artificiales.

¿Qué es significada por el término “máquina molecular”?

Es bastante difícil definir y no hay acuerdo total en la comunidad científica en cuanto a cuál es, como por ejemplo, los físicos observa las máquinas a diferentemente a los químicos. Si observamos los tipos de MIM que hemos discutido, la diferencia principal entre ir de un interruptor a una máquina es que si usted gira un interruptor y lo apaga, usted no tiene que hacer ningún trabajo al sistema.

Considerando que con una máquina, usted tiene que demostrar que en una cierta forma o le forma ha hecho un cierto trabajo. Usted ha movido componentes de una manera que no desearían generalmente ir sin el abastecimiento de un combustible químico o luz o electricidad. Es una cuestión de introducir las moléculas con una cierta energía para, aumenta en algunos casos la energía del sistema molecular del conjunto.

¿Desde el descubrimiento del rotaxane, cómo usted ha utilizado las máquinas moleculares en su trabajo?

Hemos estado trabajando en las bombas moleculares donde tomamos los anillos y los ponemos sobre lo que llamaría una pseudo-pesa de gimnasia, donde no está un tapón un final de la pesa de gimnasia hecho y derecho, un anillo puedo deslizarse sobre él y pasar sobre el tapón. Podemos entonces idear una bomba molecular en un lado de la pseudo-pesa de gimnasia. Entonces, traemos un anillo conectado a la porción de bombeo y lo bombeamos sobre qué se puede describir como “badén”, antes de ponerlo sobre una cadena de cerco.

Estamos esperando bombear los anillos sobre cadenas comunes del polímero donde no estarían normalmente, de modo que como estos anillos consiguen puestos, y son todos que llevan cargas positivas muy altas, se repelan y le pueda aumentar la energía del sistema.

Pittcon anunció recientemente que usted presentará al Wallace. H. Conferencia de la cuchilla el próximo año. ¿Qué historia usted contará en su charla?

Cuento con que algunas personas asistan a mi charla para oír hablar las máquinas moleculares artificiales y el trabajo que lleva a ése, así que por supuesto daré una introducción como mí he descrito aquí, a partir de 1985 hasta el hoy para el revelado de, en primer lugar, el reconocimiento molecular, entonces la fabricación del catenane, el rotaxane, la lanzadera molecular, interruptor molecular, conectado al motor molecular.

Sin embargo, aserraba al hilo que en un ambiente tal como Pittcon, una reunión donde los últimos avances y descubrimientos de la química analítica se discuten, él era apropiada hablar de algunos ejemplos del trabajo que ha emergido en nuestro laboratorio muy casual, uno en 2010 y el segundo en 2013. Por lo tanto, el título que he elegido es, “serendipia alimenta descubrimiento: Industrias establecidas que rompen”.

Las dos historias que contaré están alrededor de las composiciones llamadas las ciclodextrinas. Una ciclodextrina es una molécula cíclica que se obtiene del almidón. En el caso de este polímero glucosa-basado, un microorganismo es capaz de romper la cadena del polímero y después de repararlos en un círculo/un buñuelo.

Nuestro descubrimiento en 2010 era fascinador a mí, pues encontramos que una ciclodextrina con ocho unidades del azúcar, que tiene simetría multiplicada por ocho pero también conmuta con esa simetría cuádruple, hizo algo que era muy inesperado en los iones del potasio de la presencia. Seis de estos buñuelos van a formar un cubo, conectado por los iones del potasio, después estos cubos todos se conectan juntos en un marco extendido que continúe para la talla del cristal cúbico, que puede ser ciertamente milímetros, si no casi un centímetro cúbico de tamaño.

Esto compara con un campo de la química que ha sido mucho desarrollado estos últimos 20 años llamados los armazones metalorgánicos (MOFs). Me plazco muy demandar que éste es el único MOF que es benigno, verde, comestible, y alistar para ser utilizado en toda clase de usos. En 2014, llevó a la inscripción de una compañía llamada PanaceaNano, bajo liderazgo de Youssry Botros, que recibió recientemente la recompensa de la innovación de Chicago para 2018.

¿Qué usted piensa los asimientos futuros para el uso del cyclodextrine MOF?

El producto a que Youssry decidía ir para chocado me inicialmente. ¿Le pregunté, por qué cosméticos?

Ahora, realizo que esto es un mercado enorme por todo el mundo y es uno que tiene mucho de valor añadido a él. Para ponerlo simple, aunque nuestra ciclodextrina es relativamente barata, en muy pocos pasos, nosotros puede hacer algo que es muy revolucionario cuando se trata del mundo de cosméticos. La revolución es que usted tiene esta estructura muy altamente porosa.

Yendo adelante, también estamos observando potencialmente de exploración del mercado seguro del suplemento.

Total, es muy emocionante a mí. Es una cosa para ganar un Premio Nobel, Él es otra cosa para tener la perspectiva de poder ver a una compañía quizá venir a la fruición.

¿Qué otros usos de la ciclodextrina usted discutirán en Pittcon?

El segundo descubrimiento casual implica una ciclodextrina de la seis-unidad. Una vez más los iones del potasio están implicados y representan el ión positivo. El ión contrario negativo es tetrabromoaurat. Esto es un átomo del oro rodeado por cuatro bromines, y está negativo - cargado. Si usted agrega esta sal a la alfa-ciclodextrina en la solución, en cuestión de minutos, las agujas que contienen la sal del oro se forma y se precipita fuera. Así pues, en resumen, tenemos una nueva manera de aislar el oro de minas de oro.

Por los 150 años pasados o así pues, el cianuro de sodio se utiliza principal para el aislamiento del oro en minas de oro. Esto es una substancia química desagradable, y non-environmentally cómoda. Soy optimista que a tiempo, habrá una impulsión fuerte hacia tener maneras respetuosas del medio ambiente de aislar el oro, y que esta solución podría ser nuestro proceso ciclodextrina-basado.  

¿Por qué usted goza el venir a las acciones como Pittcon compartir su historia? ¿Qué usted tiene gusto de gente a para llevar de su charla?

Hay muchas cosas que entran conectado en nuestro laboratorio y qué quisiera que la gente se llevara de la parte de las historias I en Pittcon, es que no está tanto sobre mí o mi investigación; está sobre los muchos estudiantes espectaculares que me ayudan con mi trabajo en el laboratorio, y también desarrolla sus propias oportunidades.

Hay un grupo de cerca de 30 principal investigadores postdoctorales y tienen una enorme cantidad de libertad. Esencialmente digo a ellas, “usted no va a ver a mucho de Fraser Stoddart, sino que usted tiene la oportunidad de venir aquí donde hay buen recurso financiero, hay un ambiente intelectual de primer orden, y usted tiene una oportunidad de poner en marcha su propia carrera en la investigación”. Asierro al hilo honrado verdad e inspirado para experimentar una cultura de practicar mi afición con la gente joven brillante.

¿Qué el futuro espera para su investigación?

Final, quisiera ser forma capaz el asiento de Stoddart y tener los medios de poner mucho dinero nuevamente dentro de ciencia en la manera que pienso que debe ser ésa están en apoyo de investigación de los cielos azules.    

¿Dónde pueden los programas de lectura encontrar más información?

Sobre sir Fraser Stoddart

La carrera académica de Fraser Stoddart se puede trazar contra viento y marea de la Atenas del norte a la ciudad ventosa al lado del lago Michigan con interludios al borde de la coraza canadiense al lado del lago Ontario, en la república socialista de South Yorkshire, en los llanos de Cheshire al lado del Wirral, en la región central de Inglaterra del centro de Albion, y en la ciudad de los angeles al lado del mar pacífico. Él ha sido una pieza de la facultad en la Universidad Northwestern desde 2008. Él es una tabla de los administradores profesor y director del centro para la química de sistemas integrados.

Sir Fraser Stoddart ha publicado sobre 1.150 artículos científicos y fue concedido el Premio Nobel En química en 2016, el ` para el diseño y la síntesis de máquinas moleculares'. Sus intereses de la investigación están en química más allá de la molécula, que, combinada con su interés en el templation, ha llevado a la síntesis patrón-dirigida, sobre la base de procesos moleculares del reconocimiento y del uno mismo-montaje, de una amplia gama de moléculas mecánicamente entrelazadas, las variantes biestables cuyo han encontrado su manera bajo la forma de interruptores en los dispositivos electrónicos y los sistemas de envío moleculares de la droga. En términos de estructura molecular, su investigación monta el régimen de la talla a horcajadas de la escala mesomolecular hasta el final hasta los niveles nanoscopic, microscópicos y macroscópicos: incluye enteramente los polímeros sintetizados y los armazones metalorgánicos. Él también abraza química radical en los dominios supramoleculares y mechanostereochemical.

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