Занимаясь конструированием самых малых из возможных машин, исследователи добились большего успеха в создании молекулярных тормозов, чем ускорителей. И вот научная группа из Университета Южной Каролины наконец-то показала, где находится «молекулярная педаль газа».

Как следует из публикации, появившейся в Journal of the American Chemical Society, для успешного раскручивания молекулярного ротора до скоростей, в 10 миллионов раз превышающих начальные, учёные применили то, что они назвали «протонной смазкой».

Это достижение — настоящая веха на пути к появлению функциональных синтетических молекулярных машин, говорит руководитель исследования Кен Шимицу.

Рис. 1. Капнули из маслёнки немного «протонной смазки» и поплыли! (Здесь и ниже иллюстрации Ken Shimizu / University of South Carolina).

Учёные «сконструировали» ротор, соединив вместе хинолиновый и сукцинимидный фрагменты. Может показаться, что вращение первого относительно второго в получившейся молекуле должно быть совершенно свободным, но это впечатление обманчиво. Частичный отрицательный заряд обоих карбонилов сукцинимида, занимающий значительный объём пространства, мешает неподелённой паре хинолинового азота проходить через планарную конфигурацию при гипотетическом вращении фрагментов.

Рис. 2. Добавление кислоты приводит к протонированию хинолинового азота, что резко уменьшает энергетический барьер вращения. Причём всё это легко обратимо.

Но всё меняется при протонировании азота в кислой среде. Появившийся в системе протон помогает стабилизировать планарный ротамер как за счёт устранения неподелённой пары азота, так и с помощью образования промежуточных водородных связей в системе «азот — водород — карбонил».

В результате в процессе титрования кислотой раствора, содержащего исследуемую молекулу, наблюдался гигантский — в 10 миллионов раз — скачок в скорости вращения, что объясняется падением энергетического барьера вращения с 22 до 13 ккал/моль.

Кроме того, как видно из опубликованной статьи (и как подсказывает здравый смысл), ускорение вращения оказывается полностью обратимым: добавление сильного основания снимает протон с хинолинового азота и восстанавливает энергетический барьер вращения.

Вот такая получилась элементарная молекулярная машина, управление которой (скоростью её движения) находится в руках оператора в виде пипетки со слабокислым раствором в одной руке и раствором соды — в другой.