Наука для всех. Российская Академия Наук. (ras_daily) wrote,
Наука для всех. Российская Академия Наук.
ras_daily

Category:

Молекулярные машины, управляемые светом

Для чего нужны машины? Чтобы делать то, что человек делать не хочет или не может. Большие машины переносят тяжести и двигают горы. Маленькие… о, маленькие машины способны творить чудеса! Самые маленькие природные машины живут внутри клеток и называются ферментами. Они строят белки и размножают ДНК, они расщепляют питательные вещества и добывают энергию, превращают сахар в спирт, а спирт - в уксус, и многое, многое другое. Как любая машина, молекулярные машины требуют энергии. Но в отличие от обычных механизмов, расходуют ее крайне эффективно. Разве не заманчиво создать рукотворную машину, в которой детали - размером с обычную молекулу? А управлять такой машиной можно было бы, например, с помощью света.

В Лаборатории синтеза и супрамолекулярной химии фотоактивных соединений Центра фотохимии РАН, возглавляемой химиком, чл.-корреспондентом РАН, профессором Сергеем П. Громовым, создали и испытали несколько новых типов фотоуправляемых молекулярных машин. Эти машины состоят из большой циклической молекулы, называемой макроциклом, в которую продеты одна или даже две молекулы, имеющие вытянутую форму. При этом образуется межмолекулярный комплекс. По форме он напоминает ротор, в котором компоненты могут вращаться или перемещаться относительно друг друга. Эта способность компонентов межмолекулярного комплекса и используется в молекулярной машине.

Фотоуправляемая молекулярная машина
Фотоуправляемая молекулярная машина


Благодаря наличию в вытянутой молекуле фотоантенны - двойной углерод-углеродной связи, - такая молекула способна к фотопереключению. Это проявляется в ее способности под действием света (оранжевая молния на рисунке) изменять свою форму из вытянутой в угловую и, как следствие, к механическому перемещению в полости макроциклической молекулы.
Фотопереключение
Фотопереключение

Еще более интересный вариант - когда в полости макроциклической молекулы могут разместиться две молекулы с двойными связями. Оказалось, что под действием света такие молекулы можно химически сшить (это называется фотодимеризацией) с образованием из двух двойных связей четырехчленного цикла - циклобутана. Эксперимент показал, что в этом случае при облучении светом можно не только осуществлять механическое перемещение внешнего макроциклического и внутреннего непредельного компонентов относительно друг друга, но и влиять на прочность их связывания. Причем способность макроцикла к удержанию второго компонента после облучения светом существенно падает - готовый циклобутан вылезает из макроцикла. Это напоминает работу ферментов.
Фотодимеризация
Фотодимеризация

На основе таких комплексов создан фотоуправляемый молекулярный ассемблер - молекулярная машина, которая способна, присутствуя в растворе лишь в незначительном количестве, за счет точного позиционирования непредельных молекул относительно друг друга в полости макроцикла полностью превратить их в циклобутаны со строго определенным расположением фрагментов (обозначены на рисунке цветными кругами). Без макроцикла такая реакция идет с малым выходом, а расположение фрагментов будет произвольным.

Конечно, от первых примеров создания фотоуправляемых молекулярных машин до их широкого практического применения еще далеко. Однако уже сейчас молекулярные машины этих типов могут оказаться полезными в самых разных областях науки и техники. Например, при конструировании новых систем оптической записи информации (оптическая память, более надежная и компактная, чем диски и флешки) или в фотоуправляемом транспорте органических молекул через мембраны, что может найти применение в химической промышленности и в медицине (адресная доставка лекарств). А на очереди другие, более сложные конструкции.


Литература

1.       Kuz’mina L. G., Vedernikov A. I., Lobova N. A., Howard J. A. K., Strelenko Y. A., Fedin V. P., Alfimov M. V., Gromov S. P. “Photoinduced and dark complexation of unsaturated viologen analogues containing two ammonium tails with cucurbit[8]uril.” // New J. Chem. – 2006. – V. 30. – P. 458.
2.       Gromov S. P., Vedernikov A. I., Kuz'mina L. G., Kondratuk D. V., Sazonov S. K., Strelenko Y. A., Alfimov M. V., Howard J. A. K. “Photocontrolled molecular assembler based on cucurbit[8]uril: [2+2]-autophotocycloaddition of styryl dyes in solid state and in water.” // Eur. J. Org. Chem. – 2010. – P. 2587.
3.       Vedernikov A. I., Lobova N. A., Kuz’mina L. G., Strelenko Yu. A., Alfimov M. V., Howard J. A. K., Gromov S. P. “Pseudorotaxane complexes between viologen vinylogs and cucurbit[7]uril: New prototype of photocontrolled molecular machine.” // J. Mol. Struct. – 2011. – V. 989. – P. 114.
4.       Atabekyan L. S., Vedernikov A. I., Avakyan V. G., Lobova N. A., Gromov S. P., Chibisov A. K. “Photoprocesses in styryl dyes and their pseudorotaxane complexes with cucurbit[7]uril.” // J. Photochem. Photobio. A. - 2013. - V. 253. - P. 52.

Сергей Громов
Александра Фрейдзон
Центр фотохимии РАН
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment