Нанопутян

Нано Кид
Имена
	Предпочтительное название ИЮПАК 2-(2,5-Бис(3,3-диметилбут-1-ин-1-ил)-4-{[3,5-ди(пент-1-ин-1-ил)фенил]этинил}фенил) -1,3-диоксолан
	Другие имена 1,3-диоксолан, 2-[2,5-бис(3,3-диметил-1-бутин-1-ил)-4-[2-(3,5-ди-1-пентин-1-илфенил) этинил]фенил] ; Нано Кид ; Нанопутян ;
Идентификаторы
Номер CAS	618904-86-2 ;
3D model ( JSmol )	Интерактивное изображение ;
ХимическийПаук	9528192 ;
ПабХим CID	11353257 ;
НЕКОТОРЫЙ	Y83XMS9542 ;
	показывать УЛЫБКИ
Характеристики
Химическая формула	С 39 Н 42 О 2
Молярная масса	542.763 g·mol −1
	Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). проверить ( что такое ?) Ссылки на инфобоксы

Нанопутианцы — это серия органических молекул, структурные формулы которых напоминают человеческие формы. ^{[ 1 ]} Исследовательская группа Джеймса Тура разработала и синтезировала эти соединения в 2003 году в рамках курса по химическому образованию молодых студентов. ^{[ 2 ]} Соединения состоят из двух бензольных колец, соединенных несколькими атомами углерода в качестве тела, четырех ацетиленовых звеньев, каждое из которых несет на концах алкильную группу , которая представляет собой руки и ноги, и 1,3-диоксоланового кольца в качестве головы. Тур и его команда из Университета Райса использовали NanoPutians в своей образовательной программе NanoKids. Целью этой программы было эффективное и увлекательное обучение детей естественным наукам. Они сняли несколько видеороликов, в которых нанопутианцы представлены в виде антропоморфных анимационных персонажей.

Конструкция структур зависит от сцепления Соногаширы и других методов синтеза. Путем замены 1,3-диоксолановой группы на соответствующую кольцевую структуру были синтезированы различные другие типы путанов, например NanoAthlete, NanoPilgrim и NanoGreenBeret. Размещение тиоловых (R-SH) функциональных групп на концах ножек позволяет им «стоять» на золотой поверхности.

«Нанопутианцы» — это сочетание нанометра лилипутов , единицы длины, обычно используемой для измерения химических соединений, и , вымышленной человеческой расы из романа Путешествия Гулливера» « Джонатана Свифта .

Фон

Образовательно-просветительская программа NanoKids

Хотя молекула NanoKid или любые ее известные производные не имеют химического или практического применения за пределами классной комнаты, Джеймс Тур превратил NanoKid в реалистичного персонажа для обучения детей естественным наукам. Целями информационно-пропагандистской программы, описанными на веб-сайте NanoKids, являются:

«Значительно улучшить понимание учащимися химии, физики, биологии и материаловедения на молекулярном уровне».
«Предоставить учителям концептуальные инструменты для преподавания нанонауки и новых молекулярных технологий».
«Чтобы продемонстрировать, что искусство и наука могут сочетаться, чтобы облегчить обучение учащимся с разными стилями обучения и интересами».
«Создать осознанный интерес к нанотехнологиям, который поощряет участие и финансирование исследований в этой области». ^{[ 3 ]}

Для достижения этих целей было создано несколько видеоклипов, компакт-дисков, а также интерактивных компьютерных программ. Тур и его команда вложили в свой проект более 250 000 долларов. Чтобы собрать средства для этого начинания, Тур использовал неограниченные средства от своей профессорской деятельности и небольшие гранты от Университета Райса, Фонда Уэлча , нанотехнологической фирмы Zyvex и Техасского университета A&M . Тур также получил 100 000 долларов в 2002 году от программы малых грантов на исследовательские исследования, подразделения Национального научного фонда . ^{[ 4 ]}

Главные герои видеороликов — анимированные версии NanoKid. Они снимаются в нескольких видеороликах и объясняют различные научные концепции, такие как таблица Менделеева , ДНК и ковалентная связь .

Райс провела несколько исследований эффективности использования материалов NanoKids. Эти исследования показали в основном положительные результаты использования NanoKids в классе. Исследование 2004–2005 годов, проведенное в двух школьных округах в Огайо и Кентукки, показало, что использование NanoKids привело к повышению понимания представленного материала на 10–59%. Кроме того, выяснилось, что 82% учащихся считают, что NanoKids делает изучение естественных наук более интересным. ^{[ 5 ]}

Синтез НаноКид

Верхняя часть тела NanoKid

NanoKid, 1,4-дибромбензол иодировали Для создания первого NanoPutian, получившего название в серной кислоте . были добавлены «руки» или 3,3-диметилбутин Затем к этому продукту посредством сочетания Соногаширы . Затем формилирование этой структуры было достигнуто за счет использования литийорганического реагента н-бутиллития с последующим гашением N,N-диметилформамидом (ДМФ) для создания альдегида. К этой структуре был добавлен 1,2-этандиол для защиты альдегида с использованием п-толуолсульфоновой кислоты в качестве катализатора . Первоначально Шанто и Тур стремились соединить эту структуру с алкинами, но это привело к очень низким выходам желаемых продуктов. Чтобы исправить это, бромид был заменен йодидом посредством литий-галогенного обмена и гашения с использованием 1,2-дииодэтана . Это создало окончательную структуру верхней части тела NanoKid. ^{[ 1 ]}

Нижняя часть NanoKid

Синтез нижней части тела NanoPutian начинается с нитроанилина в качестве исходного материала. Присоединение Br ₂ к уксусной кислоте помещает два эквивалента брома в бензольное кольцо. NH ₂ представляет собой электронодонорную группу , а NO ₂ представляет собой электроноакцепторную группу , которые оба направляют бромирование в мета-положение относительно заместителя NO ₂ . Добавление NaNO ₂ , H ₂ SO ₄ и EtOH удаляет заместитель NH ₂ . Кислота Льюиса SnCl ₂ , восстановитель в растворителе ТГФ/EtOH, заменяет NO ₂ на NH ₂ , который впоследствии заменяется йодом при добавлении NaNO ₂ , H ₂ SO ₄ и KI с получением 3,5-дибромиодобензола. На этом этапе реакция Зандмейера преобразует первичную аминогруппу (NH ₂ ) в уходящую группу диазония (N ₂ ), которая впоследствии заменяется йодом. Йод служит отличным партнером для прикрепления желудка, которое осуществляется путем сочетания Соногаширы с триметилсилилацетиленом с образованием 3,5-дибром(триметилсилилэтинил)бензола. Присоединение ветвей заменяет заместители Br на 1-пентин посредством другого сочетания Соногаширы с образованием 3,5-(1'-пентинил)-1-(триметилсилилэтинил)бензола. Для завершения синтеза нижней части тела защитная группа ТМС удаляется путем селективного снятия защиты путем добавления K. ₂ CO ₃ , MeOH и CH ₂ Cl ₂ с получением 3,5-(1'-пентинил)-1-этинилбензола. ^{[ 1 ]}

Вложение

Чтобы прикрепить верхнюю часть NanoKid к нижней части, два компонента были добавлены в раствор дихлорида бис(трифенилфосфин)палладия(II) , йодида меди(I) , ТЭА и ТГФ . В результате получилась окончательная структура NanoKid. ^{[ 1 ]}

Производные NanoKid

Синтез нанопрофессионалов

У нанопрофессионалов есть альтернативные молекулярные структуры макушки и, возможно, шляпа. Большинство из них можно синтезировать из NanoKid путем реакции обмена ацеталя с желаемым 1,2- или 1,3-диолом, используя п- толуолсульфокислоту в качестве катализатора и нагревая микроволновым излучением в течение нескольких минут. Окончательный набор продуктов представлял собой заметно разнообразную популяцию нанопутианцев: NanoAthlete, NanoPilgrim, NanoGreenBeret, NanoJester, NanoMonarch, NanoTexan, NanoScholar, NanoBaker и NanoChef. ^{[ 2 ]}

Большинство фигур легко узнаваемы в наиболее устойчивой форме . Некоторые из них имеют устойчивую форму менее узнаваемой формы, поэтому их часто рисуют более узнаваемым, но менее стабильным образом. В визуальном изображении головных уборов нанопутианцев было допущено много вольности. ^{[ 2 ]} Некоторые продукты образуются в виде смеси диастереомеров — конфигурации «шеи» по сравнению с частями «шляпки». ^{[ 1 ]}

Синтез NanoKid в вертикальном виде

3-Бутин-1-ол подвергали взаимодействию с метансульфонилхлоридом и триэтаноламином с образованием его мезилата . Мезилат был заменен на тиолацетат. Тиол соединили с 3,5-дибром(триметилсилилэтинил)бензолом с образованием свободного алкина. В полученном продукте, 3,5-(4'-тиолацетил-1'-бутинил)-1-(триметилсилилэтинил)бензоле, триметилсилильная группа была удалена с использованием фторида тетра-н-бутиламмония (TBAF) и AcOH/Ac ₂ O в ТГФ. Затем свободный алкин соединили с продуктом верхней части тела, полученным в результате более раннего синтеза. В результате появился NanoKid с защищенными тиоловыми ножками. ^{[ 1 ]}

Чтобы NanoKid «стоял», ацетильные защитные группы были удалены с помощью гидроксида аммония в ТГФ для создания свободных тиолов. Затем в раствор погружали позолоченный субстрат и инкубировали в течение четырех дней. эллипсометрию , и было установлено, что NanoKid стоял на подложке вертикально. Для определения полученной толщины соединения использовали ^{[ 1 ]}

Синтез цепочки NanoPutian

Синтез верхней части цепи NanoPutian начинается с 1,3-дибром-2,4-дииодбензола в качестве исходного материала. Сочетание Соногаширы с 4-окситриметилсилилбут-1-ином дает 2,5-бис(4-трет-бутилдиметилсилокси-1'-бутинил)-1,4-дибромбензол. Один из заместителей брома превращается в альдегид посредством реакции S _N 2 с сильным основанием n-BuLi и ТГФ в апротонном полярном растворителе ДМФ с образованием 2,5-бис(4-трет-бутилдиметилсилокси-1' -бутинил)-4-бромбензальдегид. Другое соединение Соногаширы с 3,5-(1'-пентинил)-1-этинилбензолом присоединяет нижнюю часть нанопутиана. Превращение альдегидной группы в диэфирную «головку» происходит в два этапа. Первый этап включает добавление этиленгликоля и триметилсилилхлорида CH ₂ Cl ₂ (TMSCl) в растворителе . Добавление TBAF в растворитель ТГФ удаляет силильную защитную группу. ^{[ 1 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Шанто, Ш.; Тур, Дж. М. (2003). «Синтез антропоморфных молекул: нанопутианцы». Журнал органической химии . 68 (23): 8750–66. дои : 10.1021/jo0349227 . ПМИД 14604341 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Шанто, Ш.; Рутс, Т.; Тур, Дж. М. (2003). «Искусство и наука воссоединяются в нанопути: донесение синтеза и наномасштаба до непрофессионала». Журнал химического образования . 80 (4): 395. Бибкод : 2003JChEd..80..395C . дои : 10.1021/ed080p395 .
^ «Добро пожаловать в Нанокидс». По состоянию на 6 мая 2013 г. http://cohesion.rice.edu/naturalsciences/nanokids/ .
^ «C&EN: ОБРАЗОВАНИЕ – «НАНОКИДЫ» ПЫТАЮТСЯ ПОПАСТЬ В СРЕДНЮЮ ШКОЛУ». По состоянию на 10 мая 2013 г. http://pubs.acs.org/cen/education/8214/8214nanokids.html .
^ «НаноКидс – Миссия» . 2007. Архивировано из оригинала 19 августа 2016 г. Проверено 21 февраля 2023 г.

Внешние ссылки

[nanoputian-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Шанто, Ш.; Тур, Дж. М. (2003). «Синтез антропоморфных молекул: нанопутианцы». Журнал органической химии . 68 (23): 8750–66. дои : 10.1021/jo0349227 . ПМИД 14604341 .

[nanoputian2-2] Jump up to: ^а ^б ^с Шанто, Ш.; Рутс, Т.; Тур, Дж. М. (2003). «Искусство и наука воссоединяются в нанопути: донесение синтеза и наномасштаба до непрофессионала». Журнал химического образования . 80 (4): 395. Бибкод : 2003JChEd..80..395C . дои : 10.1021/ed080p395 .

[3] «Добро пожаловать в Нанокидс». По состоянию на 6 мая 2013 г. http://cohesion.rice.edu/naturalsciences/nanokids/ .

[4] «C&EN: ОБРАЗОВАНИЕ – «НАНОКИДЫ» ПЫТАЮТСЯ ПОПАСТЬ В СРЕДНЮЮ ШКОЛУ». По состоянию на 10 мая 2013 г. http://pubs.acs.org/cen/education/8214/8214nanokids.html .

[5] «НаноКидс – Миссия» . 2007. Архивировано из оригинала 19 августа 2016 г. Проверено 21 февраля 2023 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]