Un motore molecolare elettrico

Natura volume 613, pagine 280–286 (2023) Citare questo articolo

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I motori elettrici macroscopici continuano ad avere un grande impatto su quasi ogni aspetto della società moderna. Di conseguenza, l’impegno verso lo sviluppo di motori molecolari1,2,3 che possano essere azionati dall’elettricità non potrebbe essere più tempestivo. Qui descriviamo un motore molecolare elettrico basato su un [3]catenano4,5, in cui due anelli di ciclobis(paraquat-p-fenilene)6 (CBPQT4+) sono alimentati dall'elettricità in soluzione per ruotare unidirezionalmente attorno a un anello di 50 membri. La costituzione dell'anello assicura che entrambi gli anelli subiscano un movimento altamente unidirezionale (85%) sotto la guida di un cricchetto di energia lampeggiante7,8, mentre le interazioni tra i due anelli danno origine ad una superficie di energia potenziale bidimensionale (PES) simile a quello mostrato da FOF1 ATP sintasi9. L'unidirezionalità è alimentata da una tensione oscillante1011,12 o da una modulazione esterna del potenziale redox13. Inizialmente, abbiamo concentrato la nostra attenzione sull'omologo [2]catenano, solo per scoprire che l'asimmetria cinetica era insufficiente per supportare il movimento unidirezionale dell'unico anello. Di conseguenza, abbiamo incorporato un secondo anello CBPQT4+ per fornire un'ulteriore rottura della simmetria tramite le interazioni tra i due anelli mobili. Questa dimostrazione del movimento circumrotatorio continuo azionato elettricamente di due anelli attorno a un anello in un catenano [3] è esente dalla produzione di prodotti di scarto e rappresenta un passo importante verso i motori molecolari elettrici legati alla superficie14.

Negli ultimi 40 anni, la progettazione e la sintesi15,16 di macchine molecolari artificiali hanno favorito la promessa17,18,19 di una rivoluzione tecnologica simile per grandezza a quella derivante dallo sviluppo di motori macroscopici. Per convertire l'energia da una fonte esterna in movimento unidirezionale su scala molecolare20,21, diverse macchine molecolari artificiali, tra cui3,22,23 motori lineari basati su rotaxano5,8,24,25,26,27 e motori rotativi basati su catenano4,5 ,28,29, sono stati progettati, sintetizzati e hanno dimostrato di funzionare in presenza di luce4,24,30,31,32 e combustibili chimici5,25,29,33,34. Sebbene sia stato dimostrato35,36,37 che i motori a singola molecola possono essere alimentati utilizzando correnti di tunneling sotto vuoto ultraelevato su superfici, esempi di motori rotativi a catenano alimentati elettricamente che funzionano in soluzione non sono noti per quanto ne sappiamo. Qui riportiamo la progettazione, la sintesi e il funzionamento di un motore rotativo azionato da ossidoriduzione basato su un catenano [3] in cui due anelli possono essere alimentati dall'elettricità per ruotare unidirezionalmente attorno a un anello.

Il motore molecolare [3]catenano [3]CMM comprende (Fig. 1a) due anelli CBPQT4+ (rif. 6) che circondano un anello da 50 membri. Un'unità di bis(4-metilenefenil)metano (BPM) separa due unità di viologeno (V2+), che sono preordinate, dopo la riduzione ai loro stati cationici radicali ridotti V+•, a fungere da siti di riconoscimento38 per gli anelli CBPQT2(+•) ridotti. Il resto dell'anello è composto da una catena contenente 11 gruppi metilenici e un atomo di ossigeno, intercettata lungo la sua lunghezza da una barriera sterica di isopropilfenilene (IPP), un anello triazolico (T), che viene generato durante la chiusura finale dell'anello dell'anello per dare il [3]catenano e una barriera coulombiana di 2,6-dimetilpiridinio (PY+). Come conseguenza delle proprietà redox delle unità V2+/+• nel circuito e dei due anelli CBPQT4+/2(+•), lo stato ossidato [3]CMM13+ può essere convertito (Fig. 1b) in uno stato ridotto [3 ]CMM7+6•, accompagnato dal movimento dei due anelli CBPQT2(+•), in modo da circondare le unità V+• nell'anello in virtù di interazioni di accoppiamento di radicali39. Questo progetto ha tratto ispirazione da precedenti studi12,25,40,41 sulle pompe molecolari a base di rotaxano guidate da ossidoriduzione, in cui una cassetta di pompaggio26,42,43, comprendente PY+–V2+–IPP, funge da cancello attivo unidirezionale per trasportare un anello CBPQT4+ dalla soluzione sfusa su una catena di raccolta dopo ogni ciclo redox. Rispetto a queste pompe lineari basate sul rotaxano, si prevede che i motori basati sul catenano subiscano una continua circorotazione unidirezionale di un anello attorno all'altro, purché sia ​​presente una fonte di alimentazione. L'ovvio disegno in cui le due estremità di una pompa a base di rotaxano sono collegate per formare un [2]catenano dà origine a una costituzione in cui non esiste alcuna prova di unidirezionalità. Di conseguenza, abbiamo sviluppato l'anello e il [3]catenano per studiare le interazioni tra e l'unidirezionalità dei due anelli mobili.