Metoda oparta na świetle zapewnia dopasowanie molekularne, które w innym przypadku byłoby niemożliwe

Wykorzystując genialne połączenie reakcji fotochemicznych (tj. indukowanych światłem) i procesów samoorganizacji, zespołowi kierowanemu przez prof. Alberto Crediego z Uniwersytetu w Bolonii udało się wprowadzić cząsteczkę nitkowatą do wnęki cząsteczki w kształcie pierścienia, zgodnie z geometrią wysokoenergetyczną, która nie jest możliwa w równowadze termodynamicznej. Innymi słowy, światło umożliwia stworzenie molekularnego „pasowania”, które w innym przypadku byłoby niedostępne.

„Wykazaliśmy, że dostarczając energię świetlną do roztworu wodnego, można zapobiec osiągnięciu minimum termodynamicznego przez reakcję samoorganizacji molekularnej, w wyniku czego rozkład produktu nie odpowiada rozkładowi obserwowanemu w równowadze” – mówi Alberto Credi.

„Takie zachowanie, które leży u podstaw wielu funkcji w organizmach żywych, jest słabo zbadane w sztucznych cząsteczkach, ponieważ bardzo trudno je zaplanować i obserwować. Prostota i wszechstronność naszego podejścia, w połączeniu z faktem, że światło widzialne – tj. , światło słoneczne – jest czystym i zrównoważonym źródłem energii, pozwalają nam przewidywać rozwój w różnych obszarach technologii i medycyny.”

Badanie było opublikowany w dzienniku Chem

Samoorganizacja składników molekularnych w celu uzyskania układów i materiałów o strukturze w skali nanometrowej jest jednym z podstawowych procesów nanotechnologii. Wykorzystuje tendencję cząsteczek do ewolucji w celu osiągnięcia stanu równowagi termodynamicznej, czyli minimalnej energii.

Jednakże istoty żywe funkcjonują poprzez przemiany chemiczne zachodzące poza równowagą termodynamiczną i mogą nastąpić jedynie poprzez dostarczenie energii zewnętrznej.

Odtworzenie takich mechanizmów za pomocą sztucznych systemów jest złożonym i ambitnym wyzwaniem, które, jeśli zostanie spełnione, mogłoby umożliwić stworzenie nowych substancji zdolnych do reagowania na bodźce i interakcji z otoczeniem, które mogłyby zostać wykorzystane do opracowania np. inteligentnych leków i substancji aktywnych przybory.

Dopasowanie molekularne

Sprzęgającymi się składnikami są cyklodekstryny, puste w środku, rozpuszczalne w wodzie cząsteczki o kształcie ściętego stożka oraz pochodne azobenzenu, czyli cząsteczki zmieniające kształt pod wpływem światła. W wodzie interakcje pomiędzy tymi składnikami prowadzą do tworzenia supramolekularnych kompleksów, w których nitkowata forma azobenzenu jest wstawiona do wnęki cyklodekstryny.

W tym badaniu związek nitkowaty ma dwa różne końce; ponieważ dwa brzegi cyklodekstryny są również różne, wstawienie tej pierwszej do drugiej powoduje utworzenie dwóch odrębnych kompleksów, które różnią się względną orientacją obu składników.

Kompleks A jest bardziej stabilny niż kompleks B, ale ten drugi tworzy się szybciej niż pierwszy. W przypadku braku światła w równowadze obserwuje się tylko kompleks uprzywilejowany termodynamicznie, mianowicie A.

Naświetlając roztwór światłem widzialnym, azobenzen zmienia się z konfiguracji rozciągniętej, podobnej do cyklodekstryny, w konfigurację wygiętą, niekompatybilną z wnęką; w rezultacie kompleks dysocjuje. Jednakże to samo światło może przekształcić azobenzen z powrotem z postaci zagiętej w postać rozciągniętą, a zdysocjowane składniki można ponownie złożyć.

Ponieważ kompleks B tworzy się znacznie szybciej niż A, przy ciągłym oświetleniu osiągany jest stan ustalony, w którym kompleks B jest produktem dominującym. Po wyłączeniu światła azobenzen powoli powraca do postaci rozciągniętej i po pewnym czasie obserwuje się już tylko kompleks A.

Ten mechanizm samoorganizacji w połączeniu z reakcją fotochemiczną umożliwia wykorzystanie energii światła do akumulacji niestabilnych produktów, torując tym samym drogę nowym metodologiom syntezy chemicznej oraz rozwojowi dynamicznych materiałów molekularnych i urządzeń (np. nanosilników), które działają w warunkach nierównowagowych, podobnych do istot żywych.

Badanie jest wynikiem współpracy między wydziałami chemii przemysłowej „Toso Montanari”, chemii „Ciamician” oraz nauk o rolnictwie i żywności oraz technologii Alma Mater, uniwersytetu w Coruña w Hiszpanii i instytutu Isof-Cnr w Bolonii.