분자 스위치

Molecular switch

분자 스위치는 둘 이상의 안정된 상태 사이에서 역방향으로 이동할 수 있는 분자다.[1][page needed] 분자는 pH, 빛, 온도, 전류, 미세 환경 또는 이온[2] 및 기타 리간드의 존재와 같은 환경 자극에 반응하여 상태 간에 이동될 수 있다. 자극의 조합이 필요한 경우도 있다. 가장 오래된 형태의 합성 분자 스위치는 pH 표시기로, pH의 함수로 뚜렷한 색상을 나타낸다. 현재 합성 분자 스위치는 분자 컴퓨터나 반응성 약물 전달 시스템에 응용하기 위한 나노기술 분야에 관심이 있다.[3] 분자 스위치는 생물학에서도 중요하다. 왜냐하면 많은 생물학적 기능들이 그것을 기반으로 하기 때문이다. 예를 들어, 모든 생물학적 조절과 시각. 그것들은 또한 분자 기계의 가장 간단한 예들 중 하나이다.

산색 분자 스위치

pH의 기능 변화를 위한 일부 화합물의 용량은 16세기부터 알려져 있다. 이러한 효과는 산도/기본성 개념이 발견되기 전부터 알려져 있었다. 그것들은 장미, 콘플라워, 영장류, 제비꽃과 같은 다양한 식물에서 발견된다. 로버트 보일은 식물 주스(솔루션과 함침된 종이의 형태로)를 채용하면서 이러한 효과를 처음으로 설명한 사람이었다. [4]

이러한 화합물의 가장 일반적인 용도는 pH 지표인데, pH 지표는 산성/기본 성질을 가진 분자인데 반해 다른 형태는 다른 색을 나타낸다. 산이나 염기가 추가되면 두 형태 사이의 평형이 변질된다.[5]

광색 분자 스위치

널리 연구된 클래스는 특정 파장의 빛에 의해 조사되었을 때 전자 구성 간에 전환이 가능한 광색 화합물이다. 각 상태는 UV-VIS 분광법으로 판독할 수 있는 특정 흡수 최대값을 가진다. 아조벤제네, 다이어리네, 디티닐네, 풀기데스, 스틸베네, 스피로피란스, 페녹시나프타세네 퀴논 등이 이 세분류에 속한다.

Switching in dithienylethene

지압 분자 스위치는 화학적 전환이 항항성 쌍들 사이에서 일어나는 특정한 부분군이다. 이러한 화합물에서 판독은 일반적인 분광법보다는 순환 이분법에 의한 것이다.[6] 아래에 표시된 것과 같은 방해 증상은 오른손 또는 왼손의 원형 편광으로 조사에 대한 반응으로 나선성을 변화시킨다(평면도: 편평도 참조).

Hindered Alkene Molecular Switch

방향 운동을 보이는 지압 분자 스위치는 합성 분자 모터로 간주된다.[7]

TBu Helicenemolecularmotor

호스트-게스트 분자 스위치

호스트-게스트 화학에서 분자 스위치의 비스트 가능 상태는 게스트에 대한 호감도에 차이가 있다. 그러한 시스템의 많은 초기 예는 크라운 에테르 화학에 기초한다. 최초의 전환 가능한 숙주는 1978년 광화학 무연탄 조광화를 통해 크라운 에테르를 만든 데스베르그네와 부아스[8][9] 로렌에 의해 설명된다. 비록 엄격히 말해서 전환이 가능하지는 않지만 광화학 방아쇠와 아세토나이트릴 노출이 열린 형태를 되찾은 후에 화합물이 양이온을 차지할 수 있다.

Anthracene Crown Desvergne 1978

1980년 야마시타 [10]외는 이미 무연탄 단위(무연탄소)를 포함하는 크라운 에테르를 건설하고 이온 업테이크 대 광화학도 연구한다.

Anthracene Crown Misumi 1980

또한 1980년에 신카이 신카이는 아조벤젠 매이티를[11] 위해 무연탄 부대를 포토안테나로 내팽개치고 처음으로 온오프스위치를 가진 분자의 존재를 구상했다. 이 분자 빛에서 아조 그룹의 트랜스-시즘 이소머라이징을 유발하여 링 확장을 일으킨다. 따라서 트랜스 형태에서 왕관은 암모늄, 리튬, 나트륨 이온에 우선적으로 결합되는 반면, 시스 형태에서는 칼륨과 루비듐(둘 다 동일한 알칼리 금속 그룹에서 더 큰 이온)을 선호한다. 어둠 속에서 역 이소머라이징이 일어난다.

MolecularSwitchShinkay1980

신카이는 모넨신과 니제리신의 생화학 작용을 모방한 실제 이온 운송에 이 장치를 사용한다:[12][13] 비파하스 시스템 이온에서는 한 상에서의 빛에 의해 촉발되어 빛이 없을 때 다른 상으로 침전된다.

기계식 인터락 분자 스위치

가장 진보된 분자 스위치의 일부는 바이스트 가능 상태가 매크로 사이클의 위치에서 다른 기계적으로 상호 연결된 분자 구조에 기초한다. 1991년 Stoddart[14] 장치는 분자 비드가 분자 실에 위치한 두 개의 도킹 스테이션 사이를 왕복할 수 있는 로탁산에 기초한 분자 셔틀이다. Stoddart는 역들이 다른 외부 자극에 의해 다루어지는 각각의 역들과 다를 때 셔틀은 분자 기계가 될 것이라고 예측한다. 1993년 Stoddart는 초분자 화학의 선구자 Fritz Vögtle에 의해 발견된다. Frizz Vögtle은 로탁산이 아닌 관련 카테난에[15][16] 기반한 전환성 분자를 실제로 전달한다.

Photo switchable catenane Vögtle 1993 Molecular switch Kaifer and Stoddart 1994
포토 스위치 가능 카테난 뷔그틀 1993 분자 스위치 카이퍼와 스토다르트 1994

이 화합물은 두 개의 링 시스템을 기반으로 한다: 한 링에는 광택이 가능한 아조벤젠 링과 두 개의 파라쿼트 도킹 스테이션이 있고 다른 링은 파라쿼트 유닛에 대한 결합 친화력이 있는 아레네 링을 가진 폴리에테르다. 이 시스템에서 NMR 분광학에서는 아조 트랜스폼에서 폴리에더 링이 파트너 링을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있지만, 광 트리거가 시스 아조 폼을 활성화하면 이 회전 모드가 중지됨을 보여준다.

1994년 카이퍼와 스토다트는 분자 셔틀을[17] 전자 빈약한 테트라사이클로판 구슬이 현재 두 개의 도킹 스테이션, 즉 비페놀과 벤지딘 유닛 사이에서 선택권을 갖도록 수정한다. 상온에서 용액 NMR 분광학에서 비드가 NMR 시간 척도에 버금가는 속도로 셔틀을 통해 온도를 229K로 낮춤으로써 인구의 84%가 벤지딘 관측소를 선호하면서 신호를 해결한다. 그러나, 삼불화탄산 외에 벤지딘 질소 원자가 양성되어 비데놀 역에 영구 고정된다. 전기화학적 산화(벤지딘 급진 이온 형성)에서도 동일한 효과를 얻으며, 두 공정 모두 상당히 가역적이다.

2007년에 분자 셔틀은 실험용 DRAM 회로에 활용된다.[18] 이 장치는 아래 그림과 같이 비스듬한 로탁산(Rotaxane)의 단일 레이어를 샌드위치하는 유사한 치수를 가진 또 다른 400개의 상단 나노와이어에 의해 교차되는 400개의 하단 실리콘 나노와이어 전극으로 구성된다.

Molecular Switch In Electronic memory

장치의 각 비트는 실리콘과 티타늄 크로스바로 구성되며, 이들 사이의 공간을 수직으로 채우는 로탁산소 분자가 100개 정도 된다. 왼쪽(회색)에 있는 친수성 디에틸렌 글리콜 스토퍼는 실리콘 와이어(인 도핑에 의해 친수성)에 고정되도록 특별히 고안된 반면, 오른쪽의 친수성 테트라알메탄 스토퍼는 마찬가지로 친수성 티타늄 와이어에도 동일한 작용을 한다. 스위치의 접지 상태에서 파라쿼트 링은 테트라시아풀발렌 단위(빨간색) 주위에 위치하지만, 전류를 적용하여 풀발렌 단위가 산화되면 디옥시나프틸 단위(녹색 단위)로 이동한다. 풀발렌이 다시 감소하면 약 1시간의 화학적 반감기로 지상으로 되돌아가는 측정 가능한 높은 전도성 '1' 상태가 형성된다. 결함의 문제는 테라맥 프로젝트에서도 발견되는 결함 내성 아키텍처를 채택함으로써 회피된다. 이렇게 해서 회로는 평방 센티미터 당 1011 비트로 변환되는 백혈구 크기의 영역에 16만 비트로 구성된다.

참조

  1. ^ Molecular Machine & Motors (구조 및 본딩) J.-P. 부부지 에드 ISBN3-540-41382-0
  2. ^ Knipe, Peter C.; Thompson, Sam; Hamilton, Andrew D. (2015). "Ion-mediated conformational switches". Chemical Science. 6 (3): 1630–1639. doi:10.1039/C4SC03525A. ISSN 2041-6520. PMC 5482205. PMID 28694943.
  3. ^ Viricel W, Mbarek A, Leblond J (2015). "Switchable Lipids: Conformational Change for Fast pH-Triggered Cytoplasmic Delivery" (PDF). Angewandte Chemie International Edition. 54 (43): 12743–12747. doi:10.1002/anie.201504661. PMID 26189870.
  4. ^ Szabadvary, Ferenc; Oesper, Ralph E. (May 1964). "Indicators: A historical perspective". Journal of Chemical Education. 41 (5): 285. Bibcode:1964JChEd..41..285S. doi:10.1021/ed041p285.
  5. ^ Helmenstine, Anne Marie. "pH indicator definition and examples". ThoughtCo.
  6. ^ 동적 시스템의 순환 이분법: Switching Molecular and Supramolecular Chirality Angela Mammana, Gregory T. Carroll, and Ben L. Feringa; Comprehensive Chiroptical Spectroscopy, Applications in Stereochemical Analysis of Synthetic Compounds, Natural Products, and Biomolecules; John Wiley and Sons; 17 February 2012 doi:10.1002/9781118120392.ch8
  7. ^ 지로프틱 분자 스위치 벤 L. 페링가, 리처드 A. 반 델덴, 코우무라 나가토시, 에드자드 M. 게르트세마 화학. Rev.; 2000; 100(5) 페이지 1789 - 1816; (검토) doi:10.1021/cr9900228
  8. ^ 폴리테더 체인에 의해 연결된 비산스라세네를 포함하는 Cation 복합 포토크롬 소재. 광섬유화합물에 의한 크라운 에더의 준비 장-피에르 데스베르그네와 앙리 부아스-로렌트 J. Chem. Soc, Chem. 1978년, 403–404년, doi:10.1039/C39780000403
  9. ^ 안트라센 포토다이머레이션부터 턱 포토크롬 소재, 포토로인 앙리 부아스 로렌트, 알랭 카스텔란, 장 피에르 데스베른 퓨어 애플까지. Chem.5 Vol.52, 페이지 2633–2648. 1980 링크
  10. ^ 합성 매크로클릭 리간드. II. 포토크롬 크라운 에테르 테트라헤드론 서신, 제21권, 제6권, 1980년, 페이지 541-544 야마시타 이사무, 후지이 미에코, 가네다 다카히로, 미소이치, 오쓰보 도이:10.1016/S0040-40-408555-50
  11. ^ 포토레스폰시브 크라운 에테르 1. 크라운 에테르와 폴리머 신카이 세이지, 나카지 다카히로, 니시다 요시히로, 오가와 도시유키, 오사무 마나베 J. 암의 순응적 변화를 강제하기 위한 도구로서 아조벤젠의 시스 트랜스포트 이소머리즘. 화학. Soc.; 1980; 102(18) 페이지 5860 - 5865; doi:10.1021/ja00538a026
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  13. ^ 생체모방 화학 세이지 신카이 퓨어 & 앱의 스위치 기능 시스템! Chem, Vol.59, 3페이지 425-430, 1987 링크
  14. ^ 분자 셔틀 피에르 루시오 아넬리, 닐 스펜서, J. 프레이저 스토다트 J. Am. 화학. Soc.; 1991; 113(13) 페이지 5131 - 5133; doi:10.1021/ja00013a096
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  16. ^ 또한 1993년: [2]Rotaxane-Derived Triad Angelwandte Chemie International Edition in English Volume 32권, 10권, 날짜: 1993년 10월, 페이지: 1459-1461 앤드류 C. 베니스톤, 앤서니 해리먼 도이:10.1002/anie.19314591
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  18. ^ 160킬로비트 분자 전자메모리는 조나단 E. 그린, 장욱 최1, 아크람 부카이, 유리 부니모비치, 에즈키엘 존스턴-할페린, 에리카 데이온노, 이루오, 보니 A로 패턴이 만들어졌다. 보안관, 케 쉬, 영식 신, 허시안 룽 쩡, J. 프레이저 스토다르트, 제임스 R. Heath Nature 445, 414-417(2007년 1월 25일) doi:10.1038/nature05462