Kendi kendini oluşturan moleküler halkalar, yeni nesil ilaç dağıtımını ve akıllı malzemeleri birbirine yaklaştırıyor

Rotaksanlar, bir veya daha fazla halka şeklindeki molekülün aks olarak bilinen doğrusal bir parça boyunca geçirildiği dambıl şeklindeki mekanik olarak birbirine kenetlenmiş moleküllerdir. Halkanın kaymasını önlemek için aksın uçlarına bazen durdurucu adı verilen iki büyük grup eklenir. Rotaxane yapmak her zaman yapısının önerdiği kadar zorlayıcı olmuştur.

Yakın zamanda yapılan bir çalışma, içindeki aksı oluşturmak için önceden hazırlanmış bir halkayla başlama şeklindeki geleneksel stratejiyi terk ederek, rotaksan sentezine yeni bir yaklaşım getirdi. Bunun yerine araştırmacılar, aksın kendisinin etrafında oluşan halka için bir kılavuz görevi gördüğü ters çevrilmiş aktif şablon sentezini kullandılar.

Aks olarak oligo(etilen glikol) (OEG) adı verilen esnek zincirleri kullandılar. İşin püf noktası, bu zincirler boyunca uzanan oksijen atomlarında yatıyor; bu atomlar, halkanın yapı taşlarını kavramak için hidrojen bağını kullanıyor, bunları tam olarak doğru konuma çekerek yerine oturacak ve aksın etrafındaki halkayı oluşturacak. Bu yöntem, %70’e varan verimle ve doğrusal akstan geçen dört adede kadar halka içeren rotaksanlar oluşturmalarına olanak sağladı.

Bulgular şu adreste yayınlandı: Doğa Kimyası.

Tam tersi gidiyor

Rotaksanları bu kadar değerli kılan benzersiz yapılarıdır. Hedeflenen ilaç dağıtımı ve biyoalgılamadan hassas moleküler makinelerin tasarlanmasına kadar çeşitli uygulamalar için gereken stabiliteyi ve ayarlanabilir özellikleri sağlar.

Uzun bir süre boyunca rotaksanlar esas olarak iki yaklaşım kullanılarak sentezlendi: aksın önceden yapılmış bir halka aracılığıyla oluşturulduğu diş açma ve halkanın aks etrafına monte edilmesini içeren kırpma. Her iki yöntem de bileşenlerin kalıcı olarak birbirine bağlanmadan önce dikkatlice düzenlenmesini içeriyordu.

Aks liderliği ele geçiriyor

Daha sonra aktif şablon sentezi adı verilen yeni bir teknik geldi; burada halka, aksı oluşturan reaksiyonu hızlandırarak daha aktif bir rol üstleniyor. Bu genellikle halkanın, halka içinde bir aksın oluşumunu katalize etmeye yardımcı olan metal iyonu veya dikkatlice konumlandırılmış işlevsel gruplar gibi belirli tanıma özelliklerini taşımasına bağlıdır.

Bu rolleri tersine çevirmek (böylece aksın oluşumunu yönlendiren halka yerine esnek aks, etrafında oluşan halkayı yönlendirecek şekilde) araştırmacılar için uzun süredir devam eden bir zorluk olmuştur. Bu çalışma bunu başarıyla gerçekleştirdi.

Araştırmacılar rotaksan adı verilen moleküler makineler oluşturmak için yeni bir tersine çevrilmiş metodoloji kullandılar. Bir aks oluşturmaya yardımcı olması için önceden yapılmış bir halka kullanmak yerine, aksı, etrafında bir halka oluşmasına yardımcı olacak bir kılavuz olarak kullandılar. Her iki ucunda büyük durdurucularla donatılmış esnek bir OEG zinciriyle başladılar, böylece etrafında oluşan halkaların kaymamasını sağladılar.

Daha sonra reaksiyona girerek bir halka oluşturan iki basit yapı bloğu (bir diester ve bir diamin) eklediler. Bu bileşenlerin tümü, montajın gerçekleştiği sıvı çözücü olan toluen içinde karıştırıldı.

Daha yüksek verimliliğe sahip istifleme halkaları

Ekip ayrıca birden fazla halkanın tek bir uzun aksa bağlanıp bağlanamayacağını da araştırdı. İlk olarak, uzun bir aksa tekrar tekrar halka yapı blokları ekleyerek tek kap yaklaşımını denediler ve sonuçta iki ila beş birbirine kenetlenmiş bileşene sahip rotaksan karışımı elde edildi.

Her seferinde bir halka ekleyerek adım adım ilerleyen bir yaklaşımın daha etkili olduğunu buldular çünkü ilk halka yerleştirildikten sonra sonraki halkaları eklemek çok daha kolay hale geldi. Rotaksanlar tamamlandıktan sonra araştırmacılar bu geçici yapı taşlarını bir iskelet düzenleme adımıyla kaldırdılar ve geride daha az kalabalık, minimalist rotaksanlar bıraktılar.

X-ışınları neyi ortaya çıkardı?

Esnek OEG aksı, yapıyı bir arada tutmaktan fazlasını yaptı: Hidrojen bağı yoluyla halka oluşumunu aktif olarak hızlandırdı, böylece yüksek verimle birden fazla halkaya sahip rotaksanlar üretildi. X-ışını görüntüleri, OEG zincirlerinin bunu nasıl yaptığını açıklamaya yardımcı oldu.

Görüntüler, halkaların, hidrojen bağları ve π-istiflenmesinin büyüyen yapıyı stabilize ettiği ve bir sonraki halkanın yerine yerleştirilmesine yardımcı olduğu, sıkı bir şekilde sarılmış sarmal bir yığın halinde paketlendiğini ortaya çıkardı.

Moleküler makinelere giden daha geniş bir yol

Bu çalışma, mekanik olarak birbirine kenetlenmiş moleküllerin artık belirli fonksiyonel gruplar veya yapısal motifler etrafında inşa edilmesine gerek olmadığını göstermektedir. Kimyacılar, ters çevrilmiş aktif şablon yöntemiyle artık rotaksanları daha temiz, metal içermeyen bir şekilde üretebilir ve moleküler makineler, anahtarlar ve yeni çağa duyarlı malzemeler için mümkün olanı genişletebilirler.