Rotoxanos y maquinas moleculares PDF

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####### w####### EQUIPO 3Rotaxanos yMaquinasmoleculares.####### TRAB A J O D E IN VE ST IG A C I ÓN####### D OC UMEN T A L####### NOMBRE DE LA COMPAÑÍA INGENIERÍA####### EN ENERGÍA####### Creado por:####### Cruz Borja Germán####### Mendoza Palomares Cinthia####### Palomo Mendoza Luisa Giovana#######...

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Rotaxanos y Maquinas moleculares.

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN DOCUMENTAL UPIITA - IPN INGENIERÍA EN ENERGÍA Creado por: Cruz Borja Germán Mendoza Palomares Cinthia Palomo Mendoza Luisa Giovana Perez Martinez Francisco Saúl

EQUIPO 3

UPIITA IPN

Tabla de contenido TABLA DE CONTENIDO ............................................................................................................................................................. - 1 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ........................................................................................................................................................ - 2 MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................................................... - 3 ROTAXANOS Y MAQUINAS MOLECULARES. ................................................................................................................... - 7 TOPOLOGÍA MOLECULAR Y EL ENLACE MECÁNICO. ........................................................................................................................ - 7 Síntesis ......................................................................................................................................................................... - 7 • • •

Tapado (capping)........................................................................................................................................................... - 7 Recorte (clipping) .......................................................................................................................................................... - 7 Deslizamiento (slipping) ................................................................................................................................................ - 7 -

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Metodología de "plantilla activa".................................................................................................................................. - 8 -

CATENANOS, ROTAXANOS, ANILLOS DE BORROMEO Y NUDOS MOLECULARES. ..................................................................................... - 8 Catenanos. ................................................................................................................................................................... - 8 Rotaxanos. ...................................................................................................................................................................- 9 Anillos de Borromeo. ................................................................................................................................................. - 10 Nudos moleculares. ................................................................................................................................................... - 11 • • •

ADN. – ......................................................................................................................................................................... - 11 Enfoques sintéticos y mecanismo de formación. – ..................................................................................................... - 12 Enfoques sintéticos basados en plantillas metálicas. –............................................................................................... - 12 -

MÁQUINAS MOLECULARES. .................................................................................................................................................... - 14 Funcionamiento de las maquinas moleculares .......................................................................................................... - 18 Tipos de máquinas moleculares ................................................................................................................................. - 21 •

Maquinas naturales (biológicas) .................................................................................................................................- 21 -

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Maquinas artificiales ................................................................................................................................................... - 23 -

Perspectivas y futuro ................................................................................................................................................. - 24 TRANSFERENCIA DE ELECTRONES Y ENERGÍA............................................................................................................................... - 27 Reacciones redox. ...................................................................................................................................................... - 27 Estados de oxidación. - .............................................................................................................................................. - 27 • •

Transferencia de electrones en la esfera interior. - .................................................................................................... - 28 Transferencia de electrones a la esfera exterior. - ...................................................................................................... - 28 -

Catenanos. ................................................................................................................................................................. - 29 Energía y maquinas moleculares. .............................................................................................................................. - 30 • • •

Energía térmica. - ........................................................................................................................................................ - 30 Motores biológicos. - .................................................................................................................................................. - 30 Máquinas moleculares. - .............................................................................................................................................- 30 -

COMPARACIÓN DE EFICIENCIA DE CADA PROCESO: ESTRATEGIAS DE MEJORA, DESAFÍOS, AVANCES, VENTAJAS Y DESVENTAJAS. ................... - 31 Maquinas cristalinas. ................................................................................................................................................. - 31 Maquinas montadas en superficie............................................................................................................................. - 32 Máquinas de polímero de cristal líquido. .................................................................................................................. - 33 Máquinas en Polímeros. ............................................................................................................................................ - 35 Máquinas en solución. ............................................................................................................................................... - 36 CONCLUSIÓN ....................................................................................................................................................................... - 38 BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................................................................... - 39 -

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Índice de ilustraciones

Ilustración 1 Representación animada de un nanotubo de carbono ............................................................................. - 3 Ilustración 2 Aplicaciones de la Nanociencia. ................................................................................................................ - 3 Ilustración 3 Polea: ejemplo de máquina simple ........................................................................................................... - 4 Ilustración 4 Ejemplo de un catenano............................................................................................................................ - 5 Ilustración 5 Ejemplo de un rotaxano............................................................................................................................ - 5 Ilustración 6 El automóvil molecular diseñado por Feringa y sus colaboradores......................................................... - 6 Ilustración 7 La síntesis de rotaxano ........................................................................................................................ - 8 Ilustración 8 Estructura de la máquina molecular E/Z-14 y representación esquemática de la superficie de rotaxanos que responde a la fotoestimulación. ................................................................................................................. - 14 Ilustración 9 Estructuras químicas del satélite molecular 11, el precursor 12 y síntesis del polímero 13. ................. - 15 Ilustración 10 Máquina molecular E/Z-10. [38] Espectros de fluorescencia y fotografías bajo luz ultravioleta de las cubetas correspondientes (EFE = estado fotoestacionario). ............................................................................ - 15 Ilustración 11 Corte transversal de un Cilio ................................................................................................................ - 16 Ilustración 12 Corte transversal de un Cilio ................................................................................................................ - 16 Ilustración 13 Propuesta de tracción en las cuatro ruedas del "nanocoche" de Bernard Feringa, galardonado con el Premio Nobel de Química 2016 junto con Jean-Pierre Sauvage y Fraser Stoddart. ....................................... - 17 Ilustración 14 Embrague molecular de una bacteria .................................................................................................. - 17 Ilustración 15 Motores moleculares con bacterias....................................................................................................... - 18 Ilustración 16 La nanocápsula para atrapar o liberar moléculas y el tubo de Venturi. / CiQUS................................ - 19 Ilustración 17 Una molécula de laboratorio es capaz de realizar las funciones de un ribosoma. ............................... - 19 Ilustración 18 Evolución de las maquinas moleculares ................................................................................................ - 20 Ilustración 19 Ascensor molecular basado en el rotaxano. .......................................................................................... - 20 Ilustración 20 a) Estructura química del "músculo artificial" 15, y su representación esquemática. b) Mecanismo de acción de 15. ..................................................................................................................................................... - 21 Ilustración 21 Maquina molecular que existe en la naturaleza transformar energía solar en nutrientes.2 ............... - 22 Ilustración 22 Estructura de la miosina A y la kinesina B, que tienen comportamiento de motor molecular lineal .. - 22 Ilustración 23 Estructura de la sintetiza ATP que tiene un comportamiento de motor molecular rotatorio. ............ - 22 Ilustración 24 Estructuras supramoleculares ................................................................................................................ - 24 Ilustración 25 Estructuras supramoleculares de compuestos de plata (arriba) y de níquel (abajo) (Wu, 2013) (PioquintoMendoza, 2013). ................................................................................................................................................ - 24 Ilustración 26 . – Estructura de doble hélice del ADN. .................................................................................................. - 25 Ilustración 27 Polímero de coordinación en una dimensión (Wu, 2013). ...................................................................... - 25 Ilustración 28 - Equilibrio redox. ................................................................................................................................... - 27 Ilustración 29 Formación del catenano......................................................................................................................... - 29 Ilustración 30 Enlaces de coordinación en catenanos. .................................................................................................. - 29 -

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Marco Teórico ✓ La nanotecnología trata con estructuras y sistemas que poseen tamaños desde 1 a 100 nanómetros. Todo este desarrollo promete un impacto social y económico mayor en varios órdenes de magnitud que el proporcionado por la tecnología “submicrométrica”, que es la base de la electrónica moderna y de las amplias capacidades de telecomunicación que existen actualmente.

Ilustración 1 Representación animada de un nanotubo de carbono

✓ La nanociencia se puede definir como el conjunto de conocimientos y metodologías dirigidos a fabricar, estudiar y caracterizar estructuras funcionales dentro del rango de los nanómetros. Esto incluye el análisis de propiedades químicas, estructurales, mecánicas, eléctricas, ópticas o magnéticas, el estudio de las interacciones con otras nanoestructuras, su interacción con ondas electromagnéticas, etc.

Ilustración 2 Aplicaciones de la Nanociencia. .

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✓ Definición de una máquina: Una máquina es un aparato para aplicar poder mecánico, compuesto de varias partes y cada una de esas partes tiene una función específica. El principio operacional de cualquier máquina indica, que al menos alguno de sus componentes presenta un cambio en las posiciones relativas de los mismos. Técnicamente, una máquina se caracteriza por: 1. 2. 3. 4.

La clase de energía suministrada para hacer el trabajo. Los tipos de movimientos realizados por sus componentes. La forma de monitorear y controlar su operación. La posibilidad de repetir la operación y establecer un proceso cíclico. 5. La escala de tiempo para medir un ciclo de operación. 6. La función realizada por la máquina.

Ilustración 3 Polea: ejemplo de máquina simple

✓ La química supramolecular va más allá de la molécula y es quizás la más nueva de las químicas. Mientras que la química tradicional describe los enlaces entre átomos para formar moléculas, la química supramolecular describe los enlaces entre las moléculas para formar agregados complejos. ✓ En la química molecular lo que importa son los enlaces relativamente fuertes. En la supramolecular lo trascendental es que sean enlaces débiles y flexibles. Estos enlaces débiles pueden ser puentes de hidrógeno, enlaces de coordinación (relativamente fuertes), interacciones coulómbicas, fuerzas de van der Waals o de London (relativamente débiles). Esta gran cantidad de enlaces débiles da lugar a que los conjuntos moleculares adopten geometrías interesantes a las que se denominan estructuras secundarias, terciarias e inclusive cuaternarias, que de alguna forma cambian las características intrínsecas del sistema. Como ejemplo de este efecto se puede citar la estructura helicoidal de la molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN), que es muy importante para mantener los códigos reproductivos. La forma de hélice de la molécula se debe a interacciones débiles, y por eso algunos han dicho que el ADN es la primera supramolécula.

En su momento se establecieron las bases experimentales para la preparación de supramoléculas. Gracias a estas estrategias se han podido sintetizar muchos compuestos de estructuras elaboradas con diferentes aplicaciones, como el almacenamiento de energía, la óptica, o supramoléculas para el transporte de fármacos entre muchas otras. De hecho, el trabajo de Jean-Pierre Sauvage (químico francés de complejos, especializado en química supramolecular) consistió en la aplicación de la química supramolecular para preparar catenanos y rotaxanos. Estas supramoléculas se caracterizan por tener cadenas moleculares enlazadas por medio de una unión que se ha denominado enlace mecánico.

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❖ En los catenanos el enlace mecánico se puede visualizar si nos imaginamos una cadena con varios eslabones que están entrelazados pasando uno a través del otro sin tocarse. En los catenanos dos cadenas cerradas (macro-anillos) se entrelazan creando nudos, llegando a generarse comunicación entre ambas cadenas.

Ilustración 4 Ejemplo de un catenano

❖ Los rotaxanos se pueden pensar como un tubo que pasa a través de un aro, sin aparentemente interaccionar. En los rotaxanos una cadena es abrazada por un «eslabón molecular» que en muchos casos tiene movimiento libre a lo largo de la cadena. Un compuesto que no tiene ningún impedimento para la salida del eslabón se denomina seudo-rotaxano, mientras que aquellos que tienen «stoppers» son propiamente los rotaxanos.

Ilustración 5 Ejemplo de un rotaxano

El movimiento de un fragmento molecular respecto a otro fue estudiado por Fraser Stoddart (químico escocés que investiga en el área de la química supramolecular y la nanotecnología) y su equipo. Ellos demostraron que estos movimientos dan lugar a funciones simples que convierten a algunos catenanos y rotaxanos en “máquinas moleculares”, porque en su desplazamiento pueden mover de un lugar a otro cargas o moléculas pequeñas. Su funcionamiento puede ser espontáneo o depender de estímulos energéticos o luminiscentes. Ben Feringa (químico orgánico neerlandés, especializado en nanotecnología molecular y catálisis homogénea) junto con sus colaboradores sintetizaron el primer automóvil molecular.

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Los cuatro grupos que aparecen a cada lado de la supramolécula en la figura N. *14 se pueden pensar como las “ruedas” del coche. La rotación de los enlaces centrales es la responsable del movimiento, como si fuera el eje de un automóvil. Esta nanomáquina funciona perfectamente, como lo han demostrado los estudios espectroscópicos.

Ilustración 6 El automóvil molecular diseñado por Feringa y sus colaboradores.

✓ ¿Qué es el movimiento controlado a nivel molecular? En primer lugar, quizá sea conveniente, a modo de repaso, describir brevemente la física que gobierna el movimiento a nivel molecular. Tanto las moléculas como sus partes se mueven de manera continua a cualquier temperatura superior a 0K. Este movimiento caótico se conoce como movimiento Browniano, en referencia al botánico escocés Robert Brown, que lo observó por primera vez al mirar al microscopio una muestra de partículas de polen suspendidas en agua, en 1827. Como consecuencia de este fenómeno, cualquier intento de "empujar" o "tirar de" una molécula en una dirección concreta mediante la aplicación de una fuerza (de no ser que se aplique de forma continua o se trate de moléculas discretas en el vacío) pierde sentido, ya que esa fuerza inicial se verá inmediatamente contrarrestada por el movimiento Browniano de las moléculas del entorno. En el mundo macroscópico, las ecuaciones del movimiento están dominadas por los términos de inercia, proporcionales a la masa. Las fuerzas viscosas, proporcionales a la superficie, se oponen al movimiento convirtiendo la energía cinética en calor. Al descender en masa y dimensiones, los términos inerciales pierden importancia y las fuerzas viscosas empiezan a dominar. Este efecto de la escala es notable mucho antes de llegar al nivel molecular. Evidentemente, este cambio en la física tiene implicaciones en el diseño de maquinaria molecular. En primer lugar, para cumplir nuestro objetivo de obtener movimiento controlado, necesitaremos aprender a domar el movimiento Browniano, ya presente, en lugar de provocar el...