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[지식더하기] 스토다트, 분자 기계를 설계하다

2019년 4월 1일 업데이트됨


Figure 1. 2016 노벨 화학상 공동 수상자

과학자라면 그 누구나 한 번쯤은 꿈꿔본 노벨상, 2016년 노벨 화학상의 주역은 과연 누구였을까요? 바로 세상에서 가장 작은 기계인 “분자 기계” 분야의 창시자인 장 피에르 소바주(Jean-Pierre Sauvage), 복잡한 분자 기계를 합성함으로서 분자 기계 분야의 발전 가능성을 열은 프레이저 스토더트(Sir J. Fraser Stoddart), 베르나르트 페링하(Bernard L. Feringa) 교수가 공동 수상하였습니다. 그 중에서도 오늘은 분자 셔틀을 처음으로 만들어 낸 프레이저 스토다트에 대해 알아볼 것입니다.


분자기계란?


그렇다면 분자기계란 무엇일까요? 분자 기계의 정의는 특정한 자극에 대해 특정한 물리적인 움직임을 내는 것 중, 분리량만큼의 분자로 이루어진 것을 말합니다. 더 직관적으로 우리 주변에 있는 많은 기계들을 분자를 이용해 나노 스케일로 작게 만드는 일입니다. 현재 분자기계의 수준은 나사와 너트 역할을 하는 기본적인 분자 기계 부품들을 툴박스에 준비해 놓은 뒤, 원하는 기계를 만들 때 이 부품을 조립해서 만듭니다. 성공한 사례들로는 모터, 핀셋, 센서, 엘리베이터, 자동차 등 굉장히 다양하고 현재도 꾸준히 새로운 분자기계들이 개발되고 있습니다.


Figure 2. Rotaxane Figure 3. Rotaxane Synthesis


스토다트가 본격적으로 분자기계들을 합성하기 전에 우선 ‘rotxane’이라는 개념을 정의했습니다. 아령 모양의 rotaxane은 양 끝이 막혀있는 아령과 같은 형태를 띠는 기다란 줄기 분자와 이 줄기 분자에 껴서 움직이는 반지 모양의 고리 분자로 구성됩니다. Rotaxane을 합성할 수 있는 방법에는 크게 4가지가 존재하는데 우선 줄기 분자의 몸통과 고리를 끼우고 마지막에 줄기의 양 끝을 막는 Capping, 고리 분자의 일부분이 나중에 결합하는 Clipping, 높은 열을 가해 고리가 줄기로 들어간 상태에서 다시 온도를 내려 끼우는 Slipping, 그리고 template을 사용하여 합성하는 Active template 방법이 존재합니다.



Molecular shuttle


Figure 4. Molecular Shuttle 구성 Figure 5. Molecular Shuttle in Action

이제 스토다트가 만들어낸 분자기계를 구석구석 살펴봅시다. “Molecular Shuttle”이라 불리는 이 기계는 고리 분자가 줄기 분자 사이 특정한 두 지점을 아주 빠르게 왕복하는 역할을 수행할 수 있습니다. 이 두 지점을 줄기 분자의 station, 고리 분자를 Bead, 고리 분자의 양 끝을 막는 Stopper라 부르며 사용자가 원할 때 고리가 특정 station에 위치할 수 있도록 만들어줍니다. 여기서 bead는 Bipyridine기에 Para-phenylene기가 결합하여 만들어낸 Tetracationic cyclophane이고 줄기는 polyether, Stopper는 Triisopropylsilyl입니다. Clipping의 방법을 통해 형성되었으며 polyether 중간에 station 역할을 하는 Hydroquinone 고리가 두 개 존재하는 형태입니다. 고리 분자는 상대적으로 전자가 부족하고 줄기 분자의 정거장은 전자가 풍부하여 둘 사이에 약한 정전기적 인력과 pi-pi 결합이 형성되어 붙잡혀있게 됩니다.



Figure 6. 온도에 따른 Hydroquinone Station의 1H-Nmr

스토다트는 Molecular Shuttle을 합성한 뒤 1H- nmr을 분석해봤습니다. 그러나 nmr은 처음 예상과 너무나 다른 결과를 보여주었습니다. 일반적으로 두 개의 정류장 중에 한 쪽에 고리 분자가 존재할 것이고 두 정류장은 같은 작용기이므로 A 정류장과 B 정류장에 고리 분자가 존재할 확률은 50%로 동일할 것이라 생각했습니다. 그러나 온도를 140℃ 와 –50℃로 바꿔 nmr을 다시 찍어보니 140℃에서는 처음에 예상했던 nmr peak가 존재함을 확인해고 –50℃ nmr을 통해서 고리가 Station 사이를 실제로 움직이고 있다는 사실을 밝혀내었습니다. 이 분석 결과들을 종합하여 Hydroquinone 고리에서 실제로 고리 분자가 nmr scale과 비슷한 아주 빠른 속도로 움직이고 있으며 온도를 낮추면 실제로 한 쪽 정류장에서 다른 정류장을 향해 움직이는 고리 분자의 움직임을 포착할 수 있었습니다.



스토다트는 여기서 멈추지 않고 이번에는 2개의 station을 서로 다른 hydroquinone 고리와 benzidine으로 바꿔 다시 관찰했습니다. Benzidine은 비공유 전자쌍을 2쌍이나 갖고 있으므로 상대적으로 전자가 풍부하고 cation인 고리분자가 Benzidine station을 더 좋아할 것이라는 예상은 맞아떨어졌습니다. 여기서 스토다트는 각 정류장의 전자 밀도를 바꿔주면 고리 분자가 원하는 정류장에 존재하도록 만들 수 있을 것이라는 아이디어를 가지고 benzidine 정거장을 산화시켜 고리 분자가 hydroquinone 정거장에 정지해 있음을 확인했습니다. 반대로 benzidine을 다시 환원시키니 처음과 같이 고리 분자가 benzidine 정류장으로 돌아왔습니다. 그 외에도 산을 넣어주거나 염기를 넣어주어 protonation과 deprotonation 반응, 광화학적 조절을 통해 고리 분자가 원하는 정류장에 존재하도록 만드는 Controllable molecular shuttle을 만들어 내었습니다.


Figure 7. 산,염기 첨가에 따른 1H-nmr Figure 8. Controllable한 Molecular Shuttle



Molecular Shuttle Application


이 원리를 응용하여 스토다트는 분자 엘리베이터를 만들었습니다. 전자 밀도가 다른 정거장을 가진 동일한 rotaxane 3개를 결합시키고 주변을 산 처리해주면 고리분자가 동시에 위로 올라가거나 아래로 내려가 실제로 조작 가능한 나노 스케일의 엘리베이터를 만들어내었습니다. 그 외에도 molecular shuttle은 스위치나 밸브 역할을 할 수도 있고 약물 전달을 할 때 타겟 cell에 부착한 후에 엘리베이터를 이용하여 약물을 담은 뚜껑을 여는 등 다양한 발전 가능성이 있는 분자 기계입니다.

Figure 9. 분자 엘리베이터

프레이저 스토다트는 노벨 강의를 하며 이런 말을 했습니다. “라이트 형제가 처음 만든 비행기는 단 몇 분도 하늘에 떠있지 못할 만큼 기초적이었다. 그러나 100년도 채 지나지 않은 지금을 봐라. 어느 누가 나무와 천으로 만든 인간의 작은 날개가 하늘을 자유롭게 누비는 거대한 비행기가 될 줄 알았겠는가. 분자 기계도 마찬가지다. 지금은 라이트 형제의 작은 날개에 불과하지만 100년 아니 단 10년 안에도 비행기와 같은 복잡성을 가지는 분자기계를 만들어낼 것이다.”




원하던 케미 2019 봄호


작성자: 17-091 이재원


분야: 나노화학


참고문헌:

[1] Richard A. Bissell*, Emilio Cordova*, Angel E. Kaifer*t & J. Fraser Stoddartt (1994). A chemically and electrochemically switchable molecular shuttle

[2] Neil Spencer and J. Fraser Stoddart (1991). A Molecular Shuttle

[3] Peter R.Ashton, Roberto Ballardini, Vincenzo Balzani, Alberto Credi, Klaus Ruprecht Dress, Elena Ishow, Cornelis J.Klevelaan, Oldrich Kocian Jon A. Preece, Neil Spencer, J.Fraser Sotddart, Margherita Venturi, and Sabine Wenger (2000), A photochemically Driven Molecular-Level Abacus

[4] Jovica D. Badjic,† Ce´lia M. Ronconi,† J. Fraser Stoddart,*,† Vincenzo Balzani,‡ Serena Silvi,‡ and Alberto Credi*(2006). Operating Molecular Elevators

[5] Baran Lab GM (2010). Sir James Fraser Stoddart

[6] m, University of. “Nobel Lecture - Sir Fraser Stoddart.” YouTube, YouTube, 7 Nov. 2016, www.youtube.com/watch?v=ZGC2gpkkzv0.



이미지:

[1] https://cen.acs.org/articles/94/web/2016/10/Molecular-machines-garner-2016-Nobel-Prize-in-Chemistry.html

[2] Rotaxane. 2010/06/02 Tobe Lab. Furutani Hajime https://www.slideserve.com/tevy/rotaxane

[3] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rotaxane_methods_of_synthesis_commons.png

[4] J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 5131-5133

[5] J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 5131-5133

[6] J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 5131-5133

[7] Letter to NATURE · VOL 369 · 12 MAY 1994

[8] Letter to NATURE · VOL 369 · 12 MAY 1994

[9] Molecular elevator Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences



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