Фотоуправляемые молекулярные машины

Молекулярная машина по форме напоминает ротор, в котором компоненты могут вращаться или перемещаться.
Рисунок предоставлен Центром фотохимии РАН

Разве не заманчива идея создать молекулярную машину, в которой детали – размером с обычную органическую молекулу? Управлять такой машиной можно было бы с помощью света.

Ученые Отделения химии из Центра фотохимии РАН, директором которого и научным руководителем является химик, академик Михаил Алфимов, собрали и испытали несколько новых типов фотоуправляемых молекулярных машин. Они состоят из большой циклической молекулы, в которую продеты одна или даже две молекулы, имеющие вытянутую форму, образуя комплекс, который называют комплексом включения. По форме он напоминает ротор, в котором компоненты могут вращаться или перемещаться относительно друг друга (см. рис.).

Благодаря наличию во второй молекуле комплекса фотоантенны – двойной углерод-углеродной связи, такие непредельные молекулы способны к фотопереключению. Это проявляется в их способности под действием света изменять свою форму из вытянутой в угловую в результате изомеризации и, как следствие, к механическому перемещению в полости макроциклической молекулы.

Еще более интересный вариант – когда в полости макроциклической молекулы могут разместиться две молекулы непредельного соединения. Оказалось, что при этом становится возможным осуществить между ними реакцию химической сшивки (фотодимеризации) с образованием из двух двойных связей четырехчленного цикла циклобутана. Эксперимент показал, что в этом случае при облучении светом можно не только осуществлять механическое перемещение макроциклического и непредельного компонентов относительно друг друга, но и влиять на прочность их связывания. Причем способность макроцикла после облучения светом к удержанию второго компонента существенно падает.

Это позволило создать фотоуправляемый молекулярный ассемблер – молекулярную машину, которая способна, присутствуя в растворе лишь в незначительном количестве, за счет точного позиционирования непредельных молекул относительно друг друга в полости макроцикла полностью и строго определенным образом превратить их в циклобутаны.

Конечно, от первых примеров создания фотоуправляемых молекулярных машин до их широкого практического применения еще далеко. Однако уже сейчас молекулярные машины этих типов могут оказаться полезными в самых разных областях науки и техники. Например, при конструировании новых систем оптической записи информации или в фотоуправляемом транспорте органических молекул через мембраны.