기계적으로 연동된 분자 구조

MIMA(Mechanical Interlocked Molecular Architecture)는 토폴로지의 결과로 연결된 분자입니다.분자의 이 접속은 키 체인 루프상의 키와 유사합니다.키는 키 체인 루프에 직접 연결되어 있지 않지만 루프를 절단하지 않으면 분리할 수 없습니다.분자 수준에서는 결합된 분자를 구성하는 공유 결합이 끊어지지 않으면 연동된 분자를 분리할 수 없습니다. 이를 기계적 결합이라고 합니다.기계적으로 연동된 분자 구조의 예로는 카테난, 로탁산, 분자 매듭 및 분자 보롬 고리가 있습니다.이 분야의 연구는 2016년 노벨 화학상을 베르나르 L.에게 수여되었습니다. Feringa, Jean-Pierre Sauvage, 그리고 J.Fraser ^[1]^[2]^[3]^[4]Stoddart.

이러한 얽힌 구조의 합성은 초분자 화학과 전통적인 공유 합성을 결합함으로써 효율화되었지만, 기계적으로 연동된 분자 구조는 "초분자 집합체" 및 "공유 결합 분자"와 다른 특성을 가지고 있다."기계 결합"이라는 용어는 기계적으로 연동되는 분자 구조의 구성 요소 간의 연결을 설명하기 위해 만들어졌습니다.기계적 연동 분자 구조에 대한 연구는 주로 인공 화합물에 초점을 맞추고 있지만, 시스틴 매듭, 사이클로티드 또는 단백질인 마이크로신 J25와 같은 라소펩타이드와 다양한 펩타이드와 같은 생물학적 시스템에서 많은 예가 발견되었다.

역사

실험적으로 기계적으로 연동된 분자 구조의 첫 번째 예는 1960년대에 나타났는데, 와셔만과 실에 의해 합성된 카테난과 해리슨과 해리슨에 의해 만들어진 로탁산이었다.MIMAs의 화학은 Sauvage가 템플링 ^[5]방법을 사용하여 MIMAs의 합성을 개척했을 때 성년이 되었다.1990년대 초반에는 MIMA의 유용성과 존재에 대한 의문이 제기되었다.후자의 문제는 X선 결정학자이자 구조 화학자인 David Williams에 의해 다루어졌다.[^[6]5]카테난(올림피아단)의 제조에 도전한 2명의 박사후 연구자는 1996년 데이비드 윌리엄스가 실시한 고체구조분석을 통해 MIMA의 복잡성의 경계를 넓혔다.

기계적 결합 및 화학 반응성

기계적 결합의 도입은 로탁산과 케테난의 하위 성분들의 화학을 변화시킨다.반응성 기능의 입체장애가 증가하고 성분 간의 비공유 상호작용 강도가 ^[7]변화한다.

비공유 상호작용에 대한 기계적 결합 효과

기계적으로 연결된 분자 구조에서 비공유 상호작용의 강도는 기계적으로 결합되지 않은 유사체들에 비해 증가한다.이러한 강도 증가는 기계적으로 결합되지 않은 아날로그와 달리 카테난에서 금속 템플릿 이온을 제거하기 위한 가혹한 조건의 필요성에 의해 입증됩니다.이 효과를 "카테난드 효과"^[8]^[9]라고 합니다.이러한 비공유 상호작용의 강도의 증가는 기계적 결합의 형성에 따른 자유도의 손실에 기인한다.비공유 상호작용의 강도 증가는 자유도의 변화가 낮은 대형 기계 연동 시스템에 비해 더 많은 자유도가 손실되는 작은 연동 시스템에서 더 뚜렷하게 나타난다.따라서 로탁산 내 고리를 작게 하면 비공유 상호작용의 강도가 높아지며,^[10] 나사산을 작게 해도 같은 효과가 관찰된다.

화학적 반응성에 대한 기계적 결합 효과

기계적 결합은 제품의 동적 반응성을 감소시킬 수 있으며, 이는 증가된 입체 장애에 기인한다.이 때문에 로탁산의 나사산에 대한 알켄의 수소화는 동등한 비연쇄사에 ^[11]비해 현저하게 느리다.이 효과는 반응성이 없는 중간체를 분리하는 것을 가능하게 했다.

공유 구조를 변경하지 않고 반응성을 변경할 수 있는 능력으로 인해 MIMA는 여러 가지 기술적 응용 분야에 대해 조사되고 있습니다.

화학반응도 제어에 기계적 결합 적용

기계적 결합이 반응성을 감소시켜 원치 않는 반응을 방지하는 능력은 여러 영역에서 이용되어 왔습니다.초기 응용 프로그램 중 하나는 환경 악화로부터 유기 염료를 보호하는 것이었습니다.

예

올림피아드

레퍼런스

^ Browne, Wesley R.; Feringa, Ben L. (2006). "Making molecular machines work". Nature Nanotechnology. 1 (1): 25–35. Bibcode:2006NatNa...1...25B. doi:10.1038/nnano.2006.45. hdl:11370/d2240246-0144-4bb5-b4c1-42038a5d281c. PMID 18654138. S2CID 29037511.
^ Stoddart, J. F. (2009). "The chemistry of the mechanical bond". Chem. Soc. Rev. 38 (6): 1802–1820. doi:10.1039/b819333a. PMID 19587969.
^ Coskun, A.; Banaszak, M.; Astumian, R. D.; Stoddart, J. F.; Grzybowski, B. A. (2012). "Great expectations: can artificial molecular machines deliver on their promise?". Chem. Soc. Rev. 41 (1): 19–30. doi:10.1039/C1CS15262A. PMID 22116531.
^ Durola, Fabien; Heitz, Valerie; Reviriego, Felipe; Roche, Cecile; Sauvage, Jean-Pierre; Sour, Angelique; Trolez, Yann (2014). "Cyclic [4]Rotaxanes Containing Two Parallel Porphyrinic Plates: Toward Switchable Molecular Receptors and Compressors". Accounts of Chemical Research. 47 (2): 633–645. doi:10.1021/ar4002153. PMID 24428574.
^ Mena-Hernando, Sofía; Pérez, Emilio M. (2019-09-30). "Mechanically interlocked materials. Rotaxanes and catenanes beyond the small molecule". Chemical Society Reviews. 48 (19): 5016–5032. doi:10.1039/C8CS00888D. ISSN 1460-4744. PMID 31418435.
^ Stoddart, J. Fraser (2017). "Mechanically Interlocked Molecules (MIMs)—Molecular Shuttles, Switches, and Machines (Nobel Lecture)". Angewandte Chemie International Edition. 56 (37): 11094–11125. doi:10.1002/anie.201703216. ISSN 1521-3773. PMID 28815900.
^ Neal, Edward A.; Goldup, Stephen M. (2014-04-22). "Chemical consequences of mechanical bonding in catenanes and rotaxanes: isomerism, modification, catalysis and molecular machines for synthesis" (PDF). Chemical Communications. 50 (40): 5128–42. doi:10.1039/c3cc47842d. ISSN 1364-548X. PMID 24434901.
^ Albrecht-Gary, Anne Marie; Saad, Zeinab; Dietrich-Buchecker, Christiane O.; Sauvage, Jean Pierre (1985-05-01). "Interlocked macrocyclic ligands: a kinetic catenand effect in copper(I) complexes". Journal of the American Chemical Society. 107 (11): 3205–3209. doi:10.1021/ja00297a028. ISSN 0002-7863.
^ Stoddart, J. Fraser; Bruns, Carson J (2016). The Nature of the Mechanical Bond: From Molecules to Machines. Wiley. p. 90. ISBN 978-1-119-04400-0.
^ Lahlali, Hicham; Jobe, Kajally; Watkinson, Michael; Goldup, Stephen M. (2011-04-26). "Macrocycle Size Matters: "Small" Functionalized Rotaxanes in Excellent Yield Using the CuAAC Active Template Approach". Angewandte Chemie International Edition. 50 (18): 4151–4155. doi:10.1002/anie.201100415. ISSN 1521-3773. PMID 21462287.
^ Parham, Amir Hossain; Windisch, Björna; Vögtle, Fritz (1999-05-01). "Chemical Reactions in the Axle of Rotaxanes – Steric Hindrance by the Wheel". European Journal of Organic Chemistry. 1999 (5): 1233–1238. doi:10.1002/(sici)1099-0690(199905)1999:5<1233::aid-ejoc1233>3.0.co;2-q. ISSN 1099-0690.

추가 정보

Schill, Gottfried (1971). Catenanes, Rotaxanes, and Knots (1st ed.). Academic Press. p. 204. ISBN 9781483275666.
G. A. Breault, C. A. Hunter and P. C. Mayers (1999). "Supramolecular topology". Tetrahedron. 55 (17): 5265–5293. doi:10.1016/S0040-4020(99)00282-3.

[1] Browne, Wesley R.; Feringa, Ben L. (2006). "Making molecular machines work". Nature Nanotechnology. 1 (1): 25–35. Bibcode:2006NatNa...1...25B. doi:10.1038/nnano.2006.45. hdl:11370/d2240246-0144-4bb5-b4c1-42038a5d281c. PMID 18654138. S2CID 29037511.

[2] Stoddart, J. F. (2009). "The chemistry of the mechanical bond". Chem. Soc. Rev. 38 (6): 1802–1820. doi:10.1039/b819333a. PMID 19587969.

[3] Coskun, A.; Banaszak, M.; Astumian, R. D.; Stoddart, J. F.; Grzybowski, B. A. (2012). "Great expectations: can artificial molecular machines deliver on their promise?". Chem. Soc. Rev. 41 (1): 19–30. doi:10.1039/C1CS15262A. PMID 22116531.

[4] Durola, Fabien; Heitz, Valerie; Reviriego, Felipe; Roche, Cecile; Sauvage, Jean-Pierre; Sour, Angelique; Trolez, Yann (2014). "Cyclic [4]Rotaxanes Containing Two Parallel Porphyrinic Plates: Toward Switchable Molecular Receptors and Compressors". Accounts of Chemical Research. 47 (2): 633–645. doi:10.1021/ar4002153. PMID 24428574.

[5] Mena-Hernando, Sofía; Pérez, Emilio M. (2019-09-30). "Mechanically interlocked materials. Rotaxanes and catenanes beyond the small molecule". Chemical Society Reviews. 48 (19): 5016–5032. doi:10.1039/C8CS00888D. ISSN 1460-4744. PMID 31418435.

[6] Stoddart, J. Fraser (2017). "Mechanically Interlocked Molecules (MIMs)—Molecular Shuttles, Switches, and Machines (Nobel Lecture)". Angewandte Chemie International Edition. 56 (37): 11094–11125. doi:10.1002/anie.201703216. ISSN 1521-3773. PMID 28815900.

[:02-7] Neal, Edward A.; Goldup, Stephen M. (2014-04-22). "Chemical consequences of mechanical bonding in catenanes and rotaxanes: isomerism, modification, catalysis and molecular machines for synthesis" (PDF). Chemical Communications. 50 (40): 5128–42. doi:10.1039/c3cc47842d. ISSN 1364-548X. PMID 24434901.

[8] Albrecht-Gary, Anne Marie; Saad, Zeinab; Dietrich-Buchecker, Christiane O.; Sauvage, Jean Pierre (1985-05-01). "Interlocked macrocyclic ligands: a kinetic catenand effect in copper(I) complexes". Journal of the American Chemical Society. 107 (11): 3205–3209. doi:10.1021/ja00297a028. ISSN 0002-7863.

[9] Stoddart, J. Fraser; Bruns, Carson J (2016). The Nature of the Mechanical Bond: From Molecules to Machines. Wiley. p. 90. ISBN 978-1-119-04400-0.

[10] Lahlali, Hicham; Jobe, Kajally; Watkinson, Michael; Goldup, Stephen M. (2011-04-26). "Macrocycle Size Matters: "Small" Functionalized Rotaxanes in Excellent Yield Using the CuAAC Active Template Approach". Angewandte Chemie International Edition. 50 (18): 4151–4155. doi:10.1002/anie.201100415. ISSN 1521-3773. PMID 21462287.

[11] Parham, Amir Hossain; Windisch, Björna; Vögtle, Fritz (1999-05-01). "Chemical Reactions in the Axle of Rotaxanes – Steric Hindrance by the Wheel". European Journal of Organic Chemistry. 1999 (5): 1233–1238. doi:10.1002/(sici)1099-0690(199905)1999:5<1233::aid-ejoc1233>3.0.co;2-q. ISSN 1099-0690.

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