NanoPutian
|
|
|
|
| Namn | |
|---|---|
|
Föredraget IUPAC-namn
2-(2,5-bis(3,3-dimetylbut-1-yn-1-yl)-4-{[3,5-di(pent-1-yn-1-yl)fenyl]etynyl}fenyl) -1,3-dioxolan |
|
Andra namn
|
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChemSpider | |
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
|
| Egenskaper | |
| C39H42O2 _ _ _ _ _ | |
| Molar massa | 542,763 g·mol -1 |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
NanoPutians är en serie organiska molekyler vars strukturformler liknar mänskliga former. James Tour et al. ( Rice University ) designade och syntetiserade dessa föreningar 2003 som en del av en sekvens om kemisk utbildning för unga studenter. Föreningarna består av två bensenringar kopplade via några kolatomer som kroppen, fyra acetylenenheter som var och en bär en alkylgrupp i sina ändar som representerar händer och ben, och en 1,3-dioxolanring som huvud. Tour och hans team vid Rice University använde NanoPutians i deras utbildningsprogram för NanoKids. Målet med detta program var att utbilda barn i naturvetenskap på ett effektivt och roligt sätt. De har gjort flera videor med NanoPutians som antropomorfa animerade karaktärer.
Konstruktionen av strukturerna beror på Sonogashira-koppling och andra syntetiska tekniker. Genom att ersätta 1,3-dioxolangruppen med en lämplig ringstruktur har olika andra typer av putianer syntetiserats, t.ex. NanoAthlete, NanoPilgrim och NanoGreenBeret. Genom att placera tiol (R-SH) funktionella grupper i änden av benen gör det möjligt för dem att "stå" på en guldyta .
"NanoPutian" är en portmanteau av nanometer , en längdenhet som vanligtvis används för att mäta kemiska föreningar, och lilliputian , en fiktiv ras av människor i romanen Gullivers resor av Jonathan Swift .
Bakgrund
NanoKids utbildningsprogram
Även om det inte finns några kemiska eller praktiska användningsområden för NanoKid-molekylen eller någon av dess kända derivat utanför klassrummet, har James Tour förvandlat NanoKid till en verklighetstrogen karaktär för att utbilda barn inom naturvetenskap. Målen för uppsökande programmet, som beskrivs på NanoKids webbplats, är:
- "Att avsevärt öka elevernas förståelse av kemi, fysik, biologi och materialvetenskap på molekylär nivå."
- "Att förse lärare med konceptuella verktyg för att lära ut vetenskap i nanoskala och framväxande molekylär teknologi."
- "Att visa att konst och vetenskap kan kombineras för att underlätta lärande för elever med olika inlärningsstilar och intressen."
- "Att skapa ett informerat intresse för nanoteknik som uppmuntrar deltagande i och finansiering av forskning inom området."
För att uppnå dessa mål skapades flera videoklipp, CD-skivor och interaktiva datorprogram. Tour och hans team investerade över $250 000 i sitt projekt. För att samla in pengarna för denna strävan använde Tour obegränsade medel från sin professur och små anslag från Rice University, Welch Foundation , nanoteknikföretaget Zyvex och Texas A&M University . Tour fick också $100 000 2002 från Small Grants for Exploratory Research-programmet, en avdelning av National Science Foundation .
Huvudpersonerna i videorna är animerade versioner av NanoKid. De medverkar i flera videor och förklarar olika vetenskapliga begrepp, såsom det periodiska systemet , DNA och kovalent bindning .
Rice genomförde flera studier om effektiviteten av att använda NanoKids-materialen. Dessa studier fann mestadels positiva resultat för användningen av NanoKids i klassrummet. En studie 2004–2005 i två skoldistrikt i Ohio och Kentucky fann att användningen av NanoKids ledde till en 10–59 % ökad förståelse av det presenterade materialet. Dessutom fann man att 82 % av eleverna tyckte att NanoKids gjorde att lära sig naturvetenskap mer intressant.
Syntes av NanoKid
Överkropp av NanoKid
För att skapa den första NanoPutian, kallad NanoKid, joderades 1,4 -dibrombensen i svavelsyra . Till denna produkt sattes sedan "armar", eller 3,3-dimetylbutyn, genom Sonogashira-koppling . Formylering av denna struktur uppnåddes sedan genom att använda organolitiumreagenset n-butyllitium följt av släckning med N,N-dimetylformamid (DMF) för att skapa aldehyden. 1,2-etandiol sattes till denna struktur för att skydda aldehyden med användning av p-toluensulfonsyra som katalysator . Ursprungligen syftade Chanteau och Tour på att koppla denna struktur med alkyner, men detta resulterade i mycket låga utbyten av de önskade produkterna. För att råda bot på detta ersattes bromiden med jodid genom litium-halogenutbyte och släckning med användning av 1,2-dijodoetan . Detta skapade den slutliga strukturen av överkroppen för NanoKid.
Underkropp av NanoKid
Syntesen av NanoPutians underkropp börjar med nitroanilin som utgångsmaterial. Tillsats av Br 2 i ättiksyra placerar två ekvivalenter brom på bensenringen . NH 2 är en elektrondonerande grupp och NO 2 är en elektronbortdragande grupp , som båda riktar bromering till metapositionen i förhållande till N02- substituenten . Tillsats H2SO4 substituenten . av NaNO2 - , och EtOH avlägsnar NH2 _ Lewis -syran SnCl2 , ett reduktionsmedel i THF/EtOH-lösningsmedel , ersätter NO2 med NH2 , som därefter ersätts med jod vid tillsats av NaNO2, H2SO4 och KI för att ge 3,5-dibromjodbensen . I detta steg omvandlar Sandmeyer-reaktionen den primära aminogruppen (NH 2 ) till en lämnande diazoniumgrupp (N 2 ), som därefter ersätts med jod. Jod fungerar som en utmärkt kopplingspartner för att fästa magen, vilket utförs genom Sonogashira-koppling med trimetylsilylacetylen för att ge 3,5-dibrom(trimetylsilyletynyl)bensen. Fästningen av benen ersätter Br-substituenterna med 1-pentyn genom en annan Sonogashira-koppling för att producera 3,5-(1'-Pentynyl)-1-(trimetylsilyletynyl)bensen. För att fullborda syntesen av underkroppen avlägsnas TMS-skyddsgruppen genom selektiv avskyddning genom tillsats av K2CO3, MeOH och CH2Cl2 för att ge 3,5- (1'-Pentynyl)-1- etynylbensen .
.png)
Anknytning
För att fästa överkroppen av NanoKid till underkroppen sattes de två komponenterna till en lösning av bis(trifenylfosfin)palladium(II)diklorid , koppar(I)jodid , TEA och THF . Detta resulterade i den slutliga strukturen för NanoKid.
Derivat av NanoKid
Syntes av NanoProfessionals
NanoProfessionals har alternativa molekylära strukturer för toppen av huvudet, och inkluderar eventuellt en hatt. De flesta kan syntetiseras från NanoKid genom en acetalutbytesreaktion med den önskade 1,2- eller 1,3-diolen, med användning av p -toluensulfonsyra som katalysator och värms upp med mikrovågsstrålning under några minuter. Den ultimata uppsättningen av produkter var en igenkännbar mångfald av NanoPutians: NanoAthlete, NanoPilgrim, NanoGreenBeret, NanoJester, NanoMonarch, NanoTexan, NanoScholar, NanoBaker och NanoChef.
Majoriteten av figurerna är lätt att känna igen i sin mest stabila konformation . Ett fåtal har som sin stabila konformation en mindre igenkännbar form, så dessa ritas ofta på det mer igenkännliga men mindre stabila sättet. Många friheter togs i den visuella skildringen av nanoputianernas huvudbeklädnader. Vissa produkter bildas som en blandning av diastereomerer — konfigurationen av "halsen" jämfört med delar av "hatten".
Syntes av NanoKid i upprätt form
3-Butyn-1-ol bringades att reagera med metansulfonylklorid och trietanolamin för att producera dess mesylat . Mesylatet ersattes för att göra tiolacetat. Tiolen kopplades med 3,5-dibrom(trimetylsilyletynyl)bensen för att skapa en fri alkyn. Den resulterande produkten, 3,5-(4'-tiolacetyl-l'-butynyl)-1-(trimetylsilyletynyl)-bensen, fick sin trimetylsilylgrupp avlägsnad med användning av tetra-n-butylammoniumfluorid (TBAF) och AcOH/ Ac2O i THF. Den fria alkynen kopplades sedan med överkroppsprodukten från den tidigare syntesen. Detta resulterade i en NanoKid med skyddade tiolfötter.
För att få NanoKid att "stå" togs acetylskyddsgrupperna bort genom användning av ammoniumhydroxid i THF för att skapa de fria tiolerna. Ett guldpläterat substrat doppades sedan i lösningen och inkuberades i fyra dagar. Ellipsometri användes för att bestämma den resulterande tjockleken av föreningen, och det fastställdes att NanoKid var upprätt på substratet.
_2.png)
Syntes av NanoPutian-kedjan
Syntes av den övre delen av NanoPutian-kedjan börjar med 1,3-dibromo-2,4-dijodbensen som utgångsmaterial. Sonogashira-koppling med 4-oxitrimetylsilylbut-1-yn ger 2,5-bis(4-tert-butyldimetylsiloxi-1'-butynyl)-1,4-di-brombensen. En av bromsubstituenterna omvandlas till en aldehyd genom en SN 2 -reaktion med den starka basen, n-BuLi, och THF i det aprotiska polära lösningsmedlet, DMF för att producera 2,5-bis(4-tert-butyldimetylsiloxi-1' -butynyl)-4-brombensaldehyd. En annan Sonogashira-koppling med 3,5-(1'-Pentynyl)-1-etynylbensen fäster underkroppen på NanoPutian. Omvandlingen av aldehydgruppen till ett dieter "huvud" sker i två steg. Det första steget innefattar tillsats av etylenglykol och trimetylsilylklorid ( TMSCl ) i CH2Cl2 - lösningsmedel . Tillsats av TBAF i THF-lösningsmedel avlägsnar silylskyddsgruppen.
_FIXED.png)
_(FIXED).png)