Химики из США синтезировали молекулярный мотор, скорость вращения которого может быть увеличена в 10 миллионов раз, если его «смазать» с помощью протонов. Результаты работы предлагают новый и элегантный метод для контроля движения молекулярных машин.

Молекулярный ротор, созданный исследователями из группы Кена Шимузу (Ken Shimizu) из Университета Южной Каролины, состоит из хинолонового и сукцинимидного циклов, связанных одинарной связью, позволяющей циклам вращаться относительно друг друга.

Рис. 1. «Протонная смазка» ускоряет вращение
двух циклов относительно одинарной связи. (Рисунок
из J. Am. Chem. Soc., 2012, DOI: 10.1021/ja2120184).

Шимузу отмечает, что в растворе с нейтральной реакцией такое вращение протекает очень и очень медленно – причина низкой скорости такого вращения заключается в том, что при сближении плоскостей циклов они начинают отталкивать друг друга. Если говорить точнее, кислород карбонильной группы, связанной с имидным циклом, отталкивается от азота хинолонового фрагмента.

Однако, подкисление раствора приводит к тому, что скорость вращения увеличивается в 10 миллионов раз по сравнению со скоростью вращения в нейтральном растворе.

Комбинация молекулярного моделирования и исследования системы с помощью ЯМР позволяет определить механизм такого ускорения, который можно описать следующим образом – происходит протонирование хинолонового атома азота, и, при вращении, кислород карбонильной группы взаимодействует с водородом, связанным с атомом азота, что понижает взаимное отталкивание циклов за счет того, между имидной карбонильной группой и протонировавшим хинолоновый азот водородом образуется водородная связь.

Поскольку увеличение концентрации протонов ускоряет скорость вращения молекулярной машины, исследователи назвали этот эффект «протонной смазкой» («proton grease»).

Если кислый раствор нейтрализовать, эффект «протонной смазки» пропадает, и скорость вращения молекулярного устройства уменьшается.

По словам Шимузу, исследователи давно пытались разработать простые методы управления молекулярными машинами – к настоящему времени описано большое количество молекулярных машин, но, как правило, исследователям проще найти способы замедления их работы, нежели ускорения.

Чарльз Сайкс, специалист по молекулярным машинам из Университета Тафтса, отмечает, что результат, достигнутый в группе Шимузу нельзя назвать результатом, полученном с помощью простой интуиции – для объяснения эффекта исследователям пришлось применить различные теоретические и экспериментальные методы. Он полагает,

что для разработки новых поколений молекулярных устройств и сенсоров весьма важна разработка методов контроля динамического поведения молекулярных систем, по эффективности и простоте подобных методу, разработанному исследователями из Южной Каролины.