Piruety w smole. Wpływ rozpuszczalnika na rotację motora molekularnego

Kierownik projektu: Michał Kochman

Instytut Chemii Fizycznej PAN

Warszawa

Data otwarcia: 2021-01-12

Streszczenie projektu

Maszyny molekularne to syntetyczne związki chemiczne, które wykonują pracę mechaniczną pod wpływem odpowiednich bodźców zewnętrznych. Ważną klasę maszyn molekularnych stanowią motory molekularne, których działanie polega na powtarzalnym i jednokierunkowym obrocie wokół osi. Jako źródła energii dla ich pracy można wymienić przepływ prądu elektrycznego, energię chemiczną zawartą w paliwie dostarczonym z zewnątrz, i napromieniowywanie światłem w zakresie widzialnym lub w ultrafiolecie. Światło wyróżnia się kilkoma zaletami: napromieniowywanie nie wymaga fizycznego połączenia z motorem molekularnym, pozwala uzyskać dokładną kontrolę nad jego pracą, i nie powoduje powstawania produktów ubocznych podczas działania motora molekularnego. Dlatego motory molekularne zasilane promieniowaniem cieszą się niesłabnącym zainteresowaniem chemików organików.

W większości zaprojektowanych dotąd motorów molekularnych, mechanizm obrotu polega na fotoizomeryzacji cis-trans wokół wiązania podwójnego, a kontrolę nad kierunkowością obrotu uzyskuje się przez wprowadzenie centrum stereogenicznego. Motory molekularne tego typu są oparte o chromofory organiczne z rozległymi układami sprzężonych wiązań Pi. Przez to, ich cząsteczki są stosunkowo duże - przeważnie zawierają kilka pieścieni pięcio- i sześcioczłonowych. Duże rozmiary motorów molekularnych muszą przekładać się silne oddziaływania mechaniczne z otoczeniem, jak na przykład rozpuszczalnik. Po pierwsze, fotoizomeryzacja motoru molekularnego musi pociągnąć za sobą zmianę kształtu jego otoczki solwatacyjnej. Po drugie, częste zderzenia z cząsteczkami rozpuszczalnika powodują tarcie hamujące obrót motoru molekularnego. Do tej pory nie zbadano w zadowalający sposób wpływu tych zjawisk na wydajność kwantową i kierunkowość obrotu motorów molekularnych. Sądząc po wpływie rozpuszczalników na procesy fotoizomeryzacji innych chromoforów, takich jak protonowane zasady Schiffa[1-4] oraz azobenzen i jego pochodne,[5-7] można się spodziewać, że wydajność kwantowa będzie maleć wraz ze wzrostem lepkości rozpuszczalnika. Nie wiadomo jednak, czy rozpuszczalnik ma wpływ na kierunkowość obrotu. Byłoby również ciekawe zbadać zachowanie się otoczki solwatacyjnej motoru molekularnego w trakcie fotoizomeryzacji.

Mój projekt badawczy podejmie te kwestie poprzez modelowanie komputerowe reprezentatywnego motoru molekularnego zaprojektowanego przez Sampedro i współpracowników.[8] Mianowicie, przeprowadzę symulacje komputerowe procesu fotoizomeryzacji w fazie gazowej (tzn. dla izolowanego motoru molekularnego) i w roztworze wodnym. Poprzez porównanie wyników obu tych symulacji, uzyskam szczegółowy obraz wpływu rozpuszczalnika na pracę tego motoru molekularnego. Przewidziane w ramach projektu obliczenia wykonam za pomocą programu typu otoczka ("wrapper") mojego autorstwa,[9] w którym zaimplementowałem nieadiabatyczną dynamikę molekularną w wariancie Tully'ego i współpracowników.[10-12] Program ten posiada interfejs do programu BAGEL, w którym wykonywane są potrzebne obliczenia kwantowomechaniczne struktury elektronowej.[13,14]

Bibliografia

[1] Ruckenbauer, M.; Barbatti, M.; Müller, T.; Lischka, H. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 6757-6765.
[2] Malhado, J. P.; Spezia, R.; Hynes, J. T. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 3720-3735.
[3] Ruckenbauer, M.; Barbatti, M.; Müller, T.; Lischka, H. J. Phys. Chem. A 2013, 117, 2790-2799.
[4] Punwong, C.; Owens, J.; Martínez, T. J. J. Phys. Chem. B 2015, 119, 704-714.
[5] Carstensen, O.; Sielk, J.; Schönborn, J. B.; Granucci, G.; Hartke, B. J. Chem. Phys. 2010, 133, 124305.
[6] Cusati, T.; Granucci, G.; Persico, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5109-5123.
[7] Carstensen, N. O. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 15017-15026.
[8] Sampedro, D.; Migani, A.; Pepi, A.; Busi, E.; Basosi, R.; Latterini, L.; Elisei, F.; Fusi, S.; Ponticelli, F.; Zanirato, V.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 9349-9359.
[9] Kochman, M. A.; Durbeej, B. J. Phys. Chem. A 2020, 124, 2193-2206.
[10] Tully, J. C.; Preston, R. K. J. Chem. Phys. 1971, 55, 562-572.
[11] Tully, J. C. J. Chem. Phys. 1990, 93, 1061-1071.
[12] Hammes-Schiffer, S.; Tully, J. C. J. Chem. Phys. 1994, 101, 4657-4667.
[13] BAGEL, Brilliantly Advanced General Electronic-structure Library. http://www.nubakery.org under the GNU General Public License.
[14] Shiozaki, T. Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2017, e1331


← Powrót do spisu projektów

CONTACT

Our consultants help future and novice users of specialized software installed on High Performance Computers (KDM) at the TASK IT Center.

Contact for High Performance Computers, software / licenses, computing grants, reports:

kdm@task.gda.pl

Administrators reply to e-mails on working days between 8:00 am – 3:00 pm.