Motor molecular sintético

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Um motor molecular sintético é uma máquina molecular capaz de realizar um movimento de rotação, após receber uma energia externa. O termo sintético é atribuído aos compostos deste tipo que são gerados de forma artificial, por meio de sínteses químicas, em razão dos primeiros compostos assim chamados serem de origem biológica.

Como funciona[editar | editar código-fonte]

Representação do ciclo termodinâmico de um motor molecular.

Em termos físicos, o motor molecular recebe uma energia inicial e a transforma em trabalho, assim como ocorre com motores mecânicos. O processo de transformação deve ser cíclico, de forma a não causar modificações definitivas no composto. Após completado o movimento, a máquina molecular deve estar apta e realizá-lo novamente.

Uma observação importante é que os motores moleculares são dependentes do movimento browniano, apesar de não serem originados por movimentos aleatórios. Assim, o movimento em escala molecular não é visível quanto o em escala macroscópica.

Fontes de energia do motor molecular[editar | editar código-fonte]

Esta energia pode surgir nas mais diferentes formas, como luz, calor, energia resultante de reações químicas e diferenças de potencial eletroquímicos. De acordo com os estudos realizados nessa área, a energia luminosa e a energia química são os mais utilizados, pois são os mais fáceis de serem controlados, especialmente nesta escala.

Classificação pelo tipo de movimento[editar | editar código-fonte]

Motor molecular rotacional[editar | editar código-fonte]

É um motor molecular que produz movimento rotacional. Para isto, se faz necessária a possibilidade de que realize um movimento de rotação de 360° contínuo em algum de seus componentes. Outra característica importante é a presença de quiralidade no composto, para que seja possível se produzir o movimento unidirecional.

Motor molecular linear[editar | editar código-fonte]

É um motor molecular que produz um movimento do tipo linear, sem característica rotacional.

Mecanismos de movimento[editar | editar código-fonte]

Podemos notar três mecanismos diferentes realizados por um motor para gerar movimentos:

  • Rotação em torno de uma ligação química:

Quando ocorre a rotação de um grupo em torno de uma ligação, que deve ter uma certa liberdade de movimentação, como se fosse uma roda.

  • Mudança de conformação:

Se baseia numa mudança espacial no motor. Em geral, a molécula pode ser levada para uma forma de isômero menos estável, e depois retorna naturalmente a forma mais estável, ocorrendo o movimento.

  • Movimentos induzidos por interações não-covalentes:

São movimentos que ocorrem devido a ligações intermoleculares ou intramoleculares, que podem encaminhar o movimento de um determinado grupamento do motor.

Exemplos de processos de movimento[editar | editar código-fonte]

Motor Molecular movido a partir de uma reação química[editar | editar código-fonte]

O primeiro exemplo foi dado por Kelly e colaboradores em 1999. Seu sistema foi feito com um rotor de três triptycenos e um 4-heliceno. É capaz de realizar uma rotação unidirecional de 120°.

O motor molecular de Kelly e colaboradores.

A rotação possui cinco passos, explicados detalhadamente a seguir:

a) O grupo amina presente no triptyceno é convertido em um grupo isocianato, através de uma condensação com uma molécula de fosgênio.

b) Uma rotação, térmica ou instantânea, em torno da ligação central aproxima o grupo isocianato do grupo hidroxila.

c) Nesta forma espacial, os dois grupos reagem irreversivelmente, formando um carbamato cíclico.

d) Adiciona-se uma pequena quantidade de energia térmica ao sistema nesta etapa. Como esta é uma forma de mais alta energia e energeticamente mais próxima da barreira de energia rotacional do que do estado inicial, se faz necessária uma energia de ativação para que ocorra esta transformação.

e) A clivagem do grupo carbamato forma, novamente, o grupo amina e hidroxila da molécula.

O motor de Kelly e colaboladores é um exemplo de como a energia química pode ser utilizada para controlar um processo de rotação unidirecional, que se assemelha ao do consumo da ATP em organismos vivos.

Motor Molecular movido a partir de luz[editar | editar código-fonte]

O motor molecular de Feringa

O exemplo a ser observado será o criado pelo Prof. Dr. Ben Feringa, em 1999. Neste trabalho, foi utilizado um motor molecular consistindo de um bis-heliceno ligado através de uma ligação dupla. Como resultado disso, podemos observar a existência de uma quiralidade axial.

A rotação unidirecional é dada em quatro passos, a partir do isômero (P,P)-trans-1: (Note que P se refere a hélice no sentido da direita e M se refere ao sentido da esquerda)

a) O composto inicial é submetido a uma fotoisomerização endotérmica em temperatura baixa. Isto resulta na transformação deste no composto (M,M)-cis-2. O que ocorre é a conversão de dois grupos metil axiais em grupos metil equatoriais, menos estáveis estéricamente.

b) O aumento da temperatura do sistema, a cerca de 20°C converte os grupos metil de volta a suas formas axiais.

c) Uma nova fotoisomerização converte o (P,P)-cis-3 em (M,M)-trans-4, acompanhada, novamente, pelo desfavorecimento estérico dos grupos metil equatoriais.

d) Com o aumento da temperatura do sistema a 60°C, ocorre a rotação de 360°, retornando ao composto inicial e seus grupos axiais.

Um grande problema observado neste método é o tempo para se completar uma rotação, quando comparando-se com sistemas biológicos.

O princípio de Feringa foi utilizado na construção do protótipo de um nanocarro.

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Nanocarro[editar | editar código-fonte]

Um nanocarro contendo um motor molecular foi desenvolvido por Jean-Francois Morin e sua equipe.

Ele é construído com rodas de carboranos e um motor molecular movido a energia luminosa, como o desenvolvido por Feringa. Utiliza o trabalho gerado pela máquina molecular para se mover, como pode ser observado na figura..

Ver também[editar | editar código-fonte]