La nanomachine contrôlée par la lumière contrôle la catalyse


La vision de l’avenir de la miniaturisation a engendré une série de moteurs moléculaires synthétiques, alimentés une gamme de sources d’énergie, capables de divers mouvements. Un groupe de recherche de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) a maintenant réussi à contrôler une réaction de avec un moteur commandé par la lumière. Cela nous rapproche de la réalisation de la vision d’une nanofactory, dans laquelle des combinaisons de différentes machines travaillent ensemble, comme c’est le cas avec les cellules biologiques. Les résultats ont été publiés dans le Journal de l’American Chemical Society.

Les lois de la mécanique ne peuvent pas toujours être appliquées

Par définition, un moteur convertit l’énergie en un certain type d’énergie cinétique. Au niveau moléculaire, la protéine myosine peut utiliser de l’énergie chimique pour produire des contractions musculaires. De telles nanomachines peuvent maintenant être produites par synthèse. Cependant, les molécules utilisées sont beaucoup plus petites que les protéines et beaucoup moins complexes.

«Les lois de la physique mécanique ne peuvent pas simplement être appliquées au niveau moléculaire», déclare le professeur Dr. Henry Dube, Chaire de chimie organique I à la FAU. Par exemple, il n’y a pas d’inertie à ce niveau, explique-t-il. En raison du mouvement brownien, les particules sont constamment en mouvement. «Activer un moteur en rotation ne suffit pas. Vous devez mettre en place une sorte de mécanisme à cliquet pour l’empêcher de tourner vers l’arrière», explique-t-il.

Lors du LMU de Munich en 2015, le professeur Dube et son équipe ont développé un moteur moléculaire particulièrement rapide, alimenté par la lumière . En 2018, ils ont développé le premier moteur moléculaire alimenté exclusivement par la lumière et fonctionnant indépendamment de la température ambiante. Un an plus tard, ils ont développé une variante qui non seulement tourne, mais peut également effectuer un mouvement en huit. Tous les moteurs sont basés sur la molécule d’hémithioindigo, une variante asymétrique du colorant indigo naturel dans lequel un atome de soufre remplace l’atome d’azote. Une partie de la molécule tourne en plusieurs étapes dans le sens opposé à l’autre partie de la molécule. Les étapes énergétiques sont déclenchées par la lumière visible et modifient les molécules de telle sorte que les réactions inverses sont bloquées.

Catalyseurs standards utilisés

Après son arrivée à FAU, Henry Dube a utilisé le moteur rotatif développé en 2015 pour contrôler pour la première fois un processus chimique séparé. Il se déplace autour de la double liaison carbonée de l’hémithioindigo en quatre étapes. Deux des quatre étapes déclenchées par une photoréaction peuvent être utilisées pour contrôler une réaction catalytique. «La lumière verte crée une structure moléculaire qui lie un catalyseur à l’hémithioindigo, et la lumière bleue libère le catalyseur», explique le chimiste.

Un catalyseur standard qui ne contient pas d’atomes métalliques est utilisé. Avec les forces électrostatiques, le catalyseur se fixe sur un atome d’oxygène dans la molécule motrice via une liaison . « En principe, tous les catalyseurs utilisant une liaison hydrogène pourraient être utilisés. » Le grand avantage de l’hémithioindigo est que sa structure innée a un mécanisme de liaison pour les catalyseurs », explique le professeur Dube. Sinon, il devrait être ajouté par synthèse chimique.

La rotation du moteur de l’hémithioindigo est par la lumière visible. En même temps, le système permet la libération et la liaison ciblées d’un catalyseur qui accélère ou ralentit les réactions chimiques souhaitées. «Ce projet est une étape importante vers l’intégration simple et diversifiée des moteurs moléculaires dans les processus chimiques», déclare le professeur Dube. « De cette manière, à l’avenir, nous serons en mesure de synthétiser des médicaments complexes avec une grande précision en utilisant des machines moléculaires telles qu’une ligne de production. »


Rotation sur un chemin en huit


Plus d’information:
Kerstin Grill et al., Contrôle par relais supramoléculaire de l’organocatalyse à l’aide d’un moteur moléculaire à d’hémithioindigo, Journal de l’American Chemical Society (2020). DOI: 10.1021 / jacs.0c09519

Fourni par l’Université d’Erlangen-Nuremberg

Citation: Catalyse de contrôle des nanomachines contrôlées par la lumière (23 novembre 2020), consulté le 23 novembre 2020 sur https://phys.org/news/2020-11-light-controlled-nanomachine-catalysis.html

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