Химия бойынша Нобель сыйлығы - 2016 • Григорий Молев • «Элементтер» бойынша ғылым жаңалықтары • Нобель сыйлығы, Химия

Химия бойынша Нобель сыйлығы – 2016

2016 жылы Нобель сыйлығының иегері: Жан-Пьер Сауваж (Jean-Pierre Sauvage), Фрейзер Стодадарт (Дж. Фрейзер Стодадарт) және Бернард Фёринга (Бернар Л.Фиринга). Cen.acs.org сайтынан сурет

2016 жылы химия бойынша Нобель сыйлығының лауреаты Страсбург университетінің (Франция) Жан-Пьер Сважды, Солтүстік-Батыс Университетінің (АҚШ) Фрейзер Стодадарт пен Гронинген (Голландия) университетінен Бернард Фонтингті иеленді. Маңызды жүлде «молекулярлық машиналарды жобалау және синтездеу» үшін берілді – энергияны сыртқы жағынан жеткізген кезде белгілі бір қозғалыстар жасай алатын жеке молекулалар немесе молекулярлық кешендер. Бұл саланың одан әрі дамуы ғылым мен медицинадың көптеген салаларында серпіліс береді.

Нобель комитеті үнемі ғылыми құндылықтардан басқа тағы да қосымша дәм болып табылатын жұмысты үнемі атап өтеді. Мәселен, мысалы, Хим және Новоселовтың графты ашуында («Нобель сыйлығының физикасы – 2010», «Элементтер», 11.10.2010), ашудың өзі және оның кванттық зал әсерін бөлме температурасында сақтау үшін пайдаланудан басқа, тамаша техникалық бөлшектер болған: қарапайым таспамен графит қабаттары. Квазикристалды тапқан Шехтман тағы бір құрметті пассионармен ғылыми тұрғыдан қарама-қайшылықтар туғызды. Ол «квазикристалдар жоқ, бірақ квази-ғалымдар бар» деп мәлімдеді.

Молекулалық машиналар саласында, бірінші көзқараста, жеңімпаздардың бірі Стоддарттың рыцарь (ол бірінші емес) екендігін жоққа шығармасақ, мұндай көрініс жоқ. Бірақ шын мәнінде, маңызды ерекшелігі әлі де бар. Молекулярлық машиналардың синтезі академиялық органикалық химиядағы жалғыз аймақ болып табылады, ол молекулалық деңгейде таза инженерия деп аталуы мүмкін, онда адамдар молекуланы нөлден құрастырады және ол алынғанша тынышталмайды. Табиғатта, әрине, ұқсас молекулалар бар (органикалық жасушалардың кейбір протеиндері – миозин, кинезиндер немесе, мысалы, рибосомалар), бірақ адамдар әлі де осындай қиындық деңгейінен алыс. Сондықтан молекулярлық машиналар табиғатқа еліктеуге немесе байқалған табиғи құбылыстарды түсіндіруге тырыспай, басынан аяғына дейін адамның ақылының жемісі болып табылады.

Мәселен, біз бір бөлік бір-бірімен салыстырмалы түрде басқарылатын жолмен қозғала алатын молекулалар туралы әңгіме болып отырмыз – әдетте, ішінара сыртқы әсерлер мен жылуды жылжыту арқылы. Соваж, Стоддард және Фиринга сияқты молекулаларды құру үшін әртүрлі қағидаттар пайда болды.

Сурет. 1. Катенан, екі сақинадан тұратын, электронды алатын немесе беретін бір мыс ионы. Мыс +1 (Cu+) +2 (Cu) зарядталған мысға қарағанда азот атомдарының аз санымен байланыстыратын «артық»2+). Сақиналардың бірінде екі түрлі аймақ – екі азот атомы бар бір лиганда, екіншісінде – үшеуі бар. Осылайша, мысның тотығуы / азаюы кезінде айналмалы сақина оған тиісті аймақ арқылы қосылады. Айналу екі жолмен де жүре алады. Сурет nobelprize.org

Sauvage және Stoddard механикалық байланыстырылған молекулаларды жасады: котенандар – бір-біріне қатысты айналатын екі немесе одан көп байланыстырылған молекулярлық шеңбер (1-сурет) және ротаксандар – бір бөлік (сақина) екінші жағында қозғала алатын екі бөліктен құралған молекулалар (тікелей негіз ), сақина «ұшып кетпеуі үшін» көлемді топтарға (стоперлерге) ие (2-сурет).

Сурет. 2 Тікелей молекуладан және оң зарядталған шеңберден тұратын Rotaxan («молекулярлық поршень»), ұштардағы кремний топтарының арқасында тікелей молекуладан секіре алмайды. Екі бензолдың сақинасы тікелей молекулаға салынған: екі азот атомы мен екеуі екі оттегі атомдары арасында. Азот атомдары оңай тотығады (электронды көмек), осылайша оң зарядталған молекуланы қалыптастырады.Оттегі атомдары бұл әрекетті жасай алмайды, алайда олардың жоғары электрогенттілігіне байланысты олар бейтарап азот атомдарынан гөрі бензол сақинасынан электрондардың тығыздығын арттырады. Оң зарядталған сақина тік молекулада оң зарядталған аймақтан алынады. Осылайша, тікелей молекула тотығады (жоғарғы жағында) сақина оттегі атомдары бар бензолға қарай жылжиды және тікелей молекула бейтарап (Төменде) – сақина азот атомдары бар бензолға «ыңғайлы» болады. Сурет nobelprize.org

Жоғарыда көрсетілген тұжырымдаманы пайдалана отырып, теориялық қызығушылықтың молекулярлық топологиялық құрылымдары, тіпті «қысқа» ақуыздарды өте баяу синтездеуге қабілетті жасанды рибосомалар да пайда болды.

Фиринганың көзқарасы түбегейлі өзгеше және өте талғампаз болды (3-сурет). Феринги молекулалық қозғалтқышында молекуланың айналмалы бөліктері механикалық байланысты емес, ең нақты коваленттік байланыс – көміртек-көміртек қос байланыс. Сыртқы әсер етпестен қосарланған облигация айналасында топтардың айналуы мүмкін емес.Мұндай әсер ультракүлгін сәулелену болуы мүмкін: бейнелеп айтқанда, ультрафиолет селективті секундтан кейінгі айналымға мүмкіндік беретін біртұтас байлауды жасырады. Сонымен қатар, барлық позицияларда Feringi молекуласы құрылымдық түрде стресс болып табылады және қосарланған байланыс ұзартылады. Молекуланы айналдырған кезде ең төменгі кернеумен ұстаным табуға тырысатын ең аз қарсылықты қажет етеді. Ол мұны жасай алмайды, бірақ әр кезеңде ол тек бір бағытта ғана айналып шығады.

Сурет. 3 Феринганың молекулярлық моторының жұмыс істеу принципі. Ультракүлгін сәулеленуімен әр кезде 180 ° айналуы бар, нәтижесінде екі қосылым қалпына келтіріліп, одан да күшті молекула алынады. Кернеуді жеңілдету үшін молекула бірнеше жылу энергиясын пайдаланып, айналудың бір ғана жолын қалдырады. Сурет nobelprize.org

Осындай қозғалтқыш 2014 жылы көрсеткендей, шамалы түрлендірулермен секундына шамамен 12 млн. Революция жасай алады (J. Vachon et al., 2014. Ультрадыбыспен фото белсенді молекулярлық мотор). Feringa қозғалтқышының ең әдемі қолданылуы «наномашинада» алтын субстратта көрсетілді (сур.4). Ұзын молекулаға дөңгелектің стиліне байланысы бар төрт қозғалтқыш бір бағытта айналады және «машина» алға қарай жылжиды.

Сурет. 4 Наномашин алтын бетінде. Cen.acs.org сайтынан сурет

Қазіргі уақытта ультракүлгін орнына көрінетін жарықпен белсене алатын молекулалық мотор әзірленуде. Осындай қозғалтқыш көмегімен күн энергиясын механикалық энергияға мүлде теңдессіз түрде – электр энергиясын айналып өтуге түрлендіруге болады.

Оның соңғы жұмысында, Америка химия қоғамының журналында жарияланған (Жақс), Феринг қозғалтқыштың конструкциясын көрсетті, оның айналу жылдамдығы химиялық әсермен бақылануы мүмкін. 5. Эффекторлық молекуланы (металл дихлориді – мырыш Zn, палладий Pd немесе платина Pt) молекулалық қозғалтқышқа қосқанда, айналуды жеңілдететін конструкцияны өзгертеді. Өлшемдер үш сыналған эффектордың 20 ° C температурасында қозғалтқыш платинамен (0,13 Гц жиілігі) ең жылдам айналдырады, палладий (0,035 Гц) және біртіндеп мырышпен (0,009 Гц) аздап баяу жүреді. Эффектісіз қозғалтқыштың максималды жылдамдығы – 0.0041 Гц. Байқалған құбылыс қозғалтқыш конструкцияларының эффекторларсыз және кванттық-механикалық есептеулерімен расталған.Есептерден конформация қалай өзгеретіні және ротацияның қаншалықты жеңіл екендігі түсінікті.

Сурет. 5 Химиялық модификациялау арқылы молекулалық қозғалтқыш айналуының (L1 молекуласының) жеделдету – эффекторлық молекуланы MCL металл дихлориді2мұнда M = Zn (мырыш), Pd (палладий) немесе Pt (платина). Қозғалтқышта екі азот атомы бар металл тобы бар. Эффекторды молекулярлық қозғалтқышқа қосқанда, айналма айналуды жеңілдететін құрылымды өзгертеді. Эффектор қозғалтқыштан гөрі эффекторды қосатын ерітіндіге басқа молекулаларды қосып, қозғалтқыштан шығарылуы мүмкін. А.Фулкнер және басқалар, 2016 жылғы сурет. Light-Driven Molecular Motor

Қорытындылай келе, молекулярлық электр қозғалтқыштары күнделікті өмірде қолданыста болмағанын айта кету керек, бірақ іс жүзінде бұл уақыт мәселесі және жақын арада олардың белсенді қолданылуын көреміз.

Көздер:
1) Химия бойынша Нобель сыйлығы 2016 – Нобель комитетін ресми түрде жариялау.
2) Молекулярлық машиналар – Нобель комитеті дайындаған лауреаттардың жұмысына толық шолу.
3) Адель Фолкнер, Томас Ван Леувен, Бен Л Феринга және Сандер Дж. Узенберг. Айналдыру жылдамдығының жарықтандырылған молекулалық қозғалтқыш / аллостериялық реттелуі Американдық химия қоғамының журналы. 2016 жылғы 26 қыркүйек. V. 138 (41). P. 13597-13603. DOI: 10.1021 / jacs.6b06467.

Грегори Молев


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: