Ljus stimulerar en ny vändning för syntetisk kemi

The molecules synthesized in this study form different isomers when irradiated with blue light. (Photo: Akira Katsuyama). Credit: Akira Katsuyama
The molecules synthesized in this study form different isomers when irradiated with blue light. (Photo: Akira Katsuyama). Credit: Akira Katsuyama

Molekyler som induceras av ljus för att rotera skrymmande grupper runt centrala bindningar kan utvecklas till fotoaktiverade bioaktiva system, molekylära strömbrytare och mycket mer.

Forskare vid Hokkaido University, under ledning av biträdande professor Akira Katsuyama och professor Satoshi Ichikawa vid fakulteten för farmaceutisk vetenskap, har utökat verktygslådan för syntetisk kemi genom att tillverka en ny kategori av molekyler som kan fås att genomgå en inre rotation vid interaktion med ljus. Liknande processer tros vara viktiga i vissa naturliga biologiska system.

Syntetiska versioner kan utnyttjas för att utföra fotokemiska omkopplingsfunktioner i molekylär dator- och avkänningsteknik eller i bioaktiva molekyler, inklusive läkemedel. Deras rapport publiceras i Nature Chemistry.

”Att åstadkomma ett system som vårt har varit en betydande utmaning inom fotokemin”, säger Katsuyama. ”Arbetet är ett viktigt bidrag till ett framväxande område inom molekylär manipulation.”

Insikter om möjligheterna för ljus att avsevärt förändra molekylära konformationer har kommit genom att undersöka några naturliga proteiner. Till dessa hör rhodopsinmolekylerna i ögats näthinna, som spelar en avgörande roll för att omvandla ljus till de elektriska signaler som skapar vår synuppfattning i hjärnan. Det börjar nu framgå hur absorptionen av ljusenergi kan leda till att en del av rhodopsinmolekylen vrids om, vilket krävs för att den ska kunna utföra sin biologiska funktion.

”Genom att efterlikna detta i syntetiska system kan man skapa omkopplare på molekylnivå med en mängd olika potentiella tillämpningar”, förklarar Katsuyama.

I den här studien introducerades svavel- eller selenatomer i ett bensamidderivat (överst). De resulterande molekylerna genomgick isomerisering när de utsattes för ljus eller värme. (Shotaro Nagami, et al. Nature Chemistry. 28 februari 2024). Kredit: Shotaro Nagami, et al. Nature Chemistry. 28 februari 2024
I den här studien introducerades svavel- eller selenatomer i ett bensamidderivat (överst). De resulterande molekylerna genomgick isomerisering när de utsattes för ljus eller värme. (Shotaro Nagami, et al. Nature Chemistry. 28 februari 2024). Kredit: Shotaro Nagami, et al. Nature Chemistry. 28 februari 2024

En viktig innovation från Hokkaido-teamet var att åstadkomma fotoinducerad (dvs. ljusdriven) rotation av molekylgrupper runt en serie kemiska bindningar som inkorporerar en kväveatom tillsammans med andra bundna kolatomer.

Rotationsegenskaperna möjliggjordes genom att molekylära komponenter som innehöll en atom från ”chalcogen”-gruppen av element i det periodiska systemet, särskilt svavel eller selen, lades till en enkel organisk molekyl: en amidförening. Detta medförde en ny nivå av kontroll och mångsidighet för syntetiska fotoinducerade rotationssystem.

Vissa av de kemiska grupper som roterar runt de centrala bindningarna var relativt stora, baserade på ringar med sex bundna kolatomer. Detta underlättade de storskaliga molekylära förändringar som kan krävas för praktisk användning i molekylära omkopplingssystem.

Förutom att demonstrera de fotoinducerade förändringarna utförde teamet också teoretiska beräkningar som gav insikter om de troliga mekanismerna bakom omarrangemangen. Teamet undersökte också temperaturens inverkan på omvandlingarna. Kombinationen av teoretiskt och experimentellt arbete bör bidra till att vägleda framtida forskning mot att utforska och kontrollera modifieringar av de system som redan uppnåtts.

”Vår nästa forskningsprioritering är inriktad på potentialen i våra metoder för att tillverka nya bioaktiva molekyler som aktiveras av ljus. Dessa skulle kunna användas inom biologisk forskning eller eventuellt utvecklas som läkemedel”, avslutar Ichikawa.

Genom att använda ljus för att aktivera konformationsförändringarna kan man kontrollera var och när förändringarna sker. Detta kan vara avgörande för exakt riktade tillämpningar i biologiska system, inklusive eventuella terapeutiska möjligheter.

En version av studien finns tillgänglig på tidskriften ChemRxiv pre-print server.

Ytterligare information: Shotaro Nagami et al, Photoinduced Concerted Dual Single-bond Rotation of a Nitrogen-containing System Realized by Chalcogen Substitution, ChemRxiv (2022). DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-4hq5r

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.