La visión del futuro de la miniaturización ha producido una serie de motores moleculares sintéticos que son impulsados ​​por una variedad de fuentes de energía y pueden realizar varios movimientos. Un grupo de investigación de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ahora ha logrado controlar una reacción de catálisis utilizando un motor controlado por luz. Esto nos acerca un paso más a la realización de la visión de una nano fábrica en la que las combinaciones de varias máquinas trabajan juntas. como es el caso de las células biológicas. Los resultados se han publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

Las leyes de la mecánica no siempre se pueden aplicar

Por definición, un motor convierte la energía en un tipo específico de energía cinética. A nivel molecular, por ejemplo, la proteína miosina puede producir contracciones musculares utilizando energía química. Estas nanomáquinas ahora se pueden producir sintéticamente. Sin embargo, las moléculas utilizadas son mucho más pequeñas que las proteínas y significativamente menos complejas.

"Las leyes de la física mecánica no se pueden aplicar simplemente al nivel molecular, "dice el Prof. Dr. Henry Dube, Catedrático de Química Orgánica I en FAU. Inercia, por ejemplo, no existe en este nivel, el explica. Activado por el movimiento browniano, las partículas están en constante movimiento. "Activar un motor giratorio no es suficiente, necesita incorporar un tipo de mecanismo de trinquete que evite que gire hacia atrás, " el explica.

En 2015, mientras estaba en LMU en Munich, El profesor Dube y su equipo desarrollaron un motor molecular particularmente rápido impulsado por luz visible. En 2018, desarrollaron el primer motor molecular que funciona únicamente con luz y funciona independientemente de la temperatura ambiente. Un año después, desarrollaron una variante capaz no solo de rotación sino también de realizar un movimiento en forma de ocho. Todos los motores se basan en la molécula hemitioindigo, una variante asimétrica del tinte índigo de origen natural donde un átomo de azufre ocupa el lugar del átomo de nitrógeno. Una parte de la molécula gira en varios pasos en dirección opuesta a la otra parte de la molécula. Los pasos impulsados ​​por la energía son activados por la luz visible y modifican las moléculas para bloquear las reacciones inversas.

Catalizadores estándar en uso

Después de llegar a FAU, Henry Dube utilizó el motor giratorio desarrollado en 2015 para controlar un proceso químico separado por primera vez. Se mueve en cuatro pasos alrededor del doble enlace de carbono del hemitioíndigo. Dos de los cuatro pasos desencadenados por una foto reacción se pueden utilizar para controlar una reacción de catálisis. "La luz verde genera una estructura molecular que une un catalizador al hemitioíndigo y la luz azul libera el catalizador, "explica el químico.

Se utiliza un catalizador estándar que no tiene átomos de metal. Usando fuerzas electrostáticas, el catalizador se acopla a través de un enlace de hidrógeno a un átomo de oxígeno en la "molécula del motor". Todos los catalizadores que utilizan un enlace de hidrógeno podrían usarse, en principio. "La gran ventaja del hemitioíndigo es que su estructura innata tiene un mecanismo de enlace para los catalizadores, "explica el profesor Dube. De lo contrario, tendría que añadirse mediante síntesis química.

La rotación del motor del hemitioíndigo está controlada por luz visible. Al mismo tiempo, el sistema permite la liberación y unión específicas de un catalizador que acelera o desacelera las reacciones químicas deseadas. "Este proyecto es un paso importante hacia la integración de motores moleculares en procesos químicos de manera simple y en una variedad de formas, ", dice el profesor Dube. Esto nos permitirá sintetizar medicamentos complejos con un alto nivel de precisión utilizando máquinas moleculares como una línea de producción en el futuro".