Nghiên cứu của Đại học Kanazawa: Nhà nghiên cứu điều chỉnh tốc độ chuyển đổi quang học
KANAZAWA, Nhật Bản, Ngày 8 tháng 11 năm 2023 — Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kanazawa đã báo cáo trên tạp chí Science Advances cách họ có thể tăng tốc và giảm tốc quá trình đảo ngược chirality trong các phân tử lồng lớn bằng cách sử dụng liên kết ion kim loại kiềm.
Các phân tử chirality có thể có các tính chất chức năng hoàn toàn khác nhau mặc dù chúng có cùng công thức hóa học và cấu trúc gần như giống hệt nhau. Cấu trúc phân tử của hai loại phân tử chirality – gọi là đồng phân – là hình ảnh phản chiếu của nhau và không thể được siêu phối lên nhau nhiều hơn bàn tay phải của bạn có thể được đặt vào bàn tay trái. Trong khi nhiều phân tử chirality thường được coi là cố định dưới dạng tay trái hoặc phải, các phân tử chirality dựa trên xoắn ốc được biết là có thể chuyển đổi để đáp ứng với những thay đổi trong môi trường của chúng. Bây giờ các nhà nghiên cứu do Shigehisa Akine dẫn đầu tại Đại học Kanazawa đã chứng minh cách thay đổi môi trường cũng có thể tăng tốc hoặc giảm tốc quá trình đảo ngược chirality này, cung cấp “một hệ thống chuyển đổi có thể lập trình theo thời gian mới”.
Các nhà nghiên cứu tập trung nghiên cứu vào “metallacryptand (R6)-LNi3” – một phân tử hữu cơ có các nguyên tử kim loại trong cấu trúc giống lồng và có thể tồn tại dưới hai dạng được mô tả là dạng P hoặc M (xuôi và ngược). Trong dạng nguyên chất, (R6)-LNi3 có tỷ lệ ưa thích giữa dạng P và M là 12:88. Bắt đầu từ tỷ lệ 50:50, các phân tử sẽ chuyển đổi giữa hai dạng với xu hướng chuyển đổi về phía dạng M để đạt được tỷ lệ đó. Các nhà nghiên cứu đo lường sự thay đổi tỷ lệ này bằng phương pháp NMR và quang phổ dichroic tròn.
Bằng cách thêm ion kim loại kiềm vào dung dịch của (R6)-LNi3, các nhà nghiên cứu xác nhận rằng các ion kim loại dễ dàng liên kết với metallacryptand từ những thay đổi trong chữ ký quang phổ của các phân tử. Ngoài ra, ion liên kết cũng làm thay đổi tỷ lệ ưa thích theo một mức độ và tốc độ phụ thuộc vào ion kim loại kiềm được sử dụng.
Các nhà nghiên cứu quy kết sự khác biệt về tốc độ và tỷ lệ này cho sự khác biệt về hằng số liên kết không chỉ giữa ion kim loại và hai dạng phân tử mà còn với hằng số liên kết ảo cho quá trình chuyển đổi giữa hai dạng. Liên kết giữa ion xenon và dạng P của phân tử mạnh hơn liên kết với dạng M hơn 20 lần nên dung dịch cuối cùng chuyển sang tỷ lệ cao hơn của dạng P với tỷ lệ P:M là 75:25 trong vòng 21 giờ. Tỷ lệ cân bằng cuối cùng với ion rubidi cũng có xu hướng ưa thích dạng P, đạt tỷ lệ thấp hơn một chút là 72:28 nhưng chỉ trong vòng 100 phút. Với ion kali, tỷ lệ cân bằng thấp hơn nữa là 68:32 nhưng đạt được chỉ trong vòng 1 phút, nhanh gấp 3 cỡ so với ion xenon (Hình 2). Các nhà nghiên cứu quy kết tốc độ này cho hằng số liên kết ảo lớn với phân tử chuyển đổi.
Với các ion nhỏ hơn – lithi và natri – dạng phân tử ưa thích thực sự không thay đổi nhưng tỷ lệ cân bằng cuối cùng đạt được nhanh hơn nhiều. Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu chứng minh quá trình đảo ngược chirality có thể được tăng tốc và giảm tốc bằng cách điều chỉnh môi trường phân tử.
“Nghiên cứu này có thể cung cấp một cái nhìn mới vào việc phát triển đồng hồ phân tử có thể lập trình theo thời gian theo yêu cầu cho công nghệ hóa học thế hệ mới”, các nhà nghiên cứu kết luận, đề cập đến các công nghệ tương lai có thể như thiết bị lưu trữ thông tin hóa học có thể điều khiển thời gian xử lý, cũng như các cảm biến chirality có khả năng chọn lọc có thể đảo ngược tùy thuộc vào tình huống.
Hình ảnh nổi bật: Phân tử hình lồng biến đổi từ tay trái sang tay phải khi ion kim loại vào lồng bên trong. Tốc độ chuyển đổi khác nhau tới 1000 lần tùy thuộc vào kích thước ion kim loại (K+, t1/2 = 11 giây; Cs+, t1/2 = 11100 giây ≈ 3 tiếng), Ikbal, v.v., Sci. Adv. 9, eadj5536 (2023).
https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/wp/wp-content/uploads/eye-catching-image_EN.png
Chú thích Hình 1: Các biểu đồ cấu trúc của dạng P và M của metallacryptand xoắn ốc (R6)-LNi3, có một vị trí liên kết cho ion kim loại. Tốc độ đảo ngược P/M phụ thuộc rất nhiều vào ion kim loại, Ikbal, v.v., Sci. Adv. 9, eadj5536 (2023).
https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/wp/wp-content/uploads/43c89dda55e8300ffa8e002837383b41.png
Chú thích Hình 2: Sự chuyển đổi từ dạng M sang dạng P khi thêm ion kim loại. Sự bổ sung ion xenon gây chuyển đổi M→P rất chậm trong khi sự bổ sung ion kali gây chuyển đổi M→P nhanh, Ikbal et al., Sci. Adv. 9, eadj5536 (2023)
https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/wp/wp-content/uploads/4a3de9c319f553d490d5beac1977402a.png
Từ vựng
Các phân tử chirality
Các phân tử chirality có hai loại hoặc đồng phân là hình ảnh phản chiếu của nhau. Loại phân tử thường được gọi là tay trái hoặc phải của phân tử, tương tự như bàn tay trái và phải không thể được siêu phối lên nhau.
Chirality thường xuất phát từ “trung tâm chirality” như nguyên tử carbon, nơi bốn liên kết tetrahedral tạo cơ hội cho hai cấu hình của các nhóm trên mỗi liên kết là hình ảnh phản chiếu của nhau. Loại chirality này thường được coi là cố định, mặc dù gần đây các nhà nghiên cứu đã chứng minh một đồng phân có thể chuyển đổi thành đồng phân kia (