Opløselighedsmysteriet for udbredt plastik løst

Polyethermolekyler har en tendens til at opløses bedre i vand, da de indeholder mere ilt og færre kulstofatomer. Men der er meget kontraintuitive undtagelser fra denne tendens, den mest kendte er den udbredte plast POM. Det har det højest mulige oxygen/carbon-forhold, men er fuldstændig uopløseligt. I det aktuelle nummer af Naturkommunikation , forskere fra University of Amsterdam og Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz fremlægger nu en endelig forklaring.

Forskerne belyser især opløselighedsforskellene mellem polyetherne PEG (polyethylenglycol) og POM (polyoxymethylen), der er overalt i vores dagligdag. PEG har mange anvendelser i vandige opløsninger til farmaceutiske og kosmetiske formål, for eksempel i cremer til barbering og hudpleje. POM er et allestedsnærværende plastmateriale:mange genstande i dagligdagen er lavet af POM, ligesom de farvestrålende Keck-clips til at forbinde glasvarer, velkendt af enhver kemiker.

Selvom disse to polyethere er meget ens på molekylært niveau, de har meget kontraintuitive opløseligheder i vand. PEG (gentagende enhed -CH ₂ -CH ₂ -O-) er perfekt opløselig, og enhver kemistuderende kan fortælle dig hvorfor:oxygenatomerne i PEG er svagt negativt ladede, hvilket gør dem hydrofile. Denne forklaring ser ud til at blive bekræftet af den sammenlignelige polymer PPG (polypropylenglycol, gentagende enhed-CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -O-):den indeholder relativt færre oxygenatomer end PEG, og er mindre opløselig, hvilket er helt logisk.

Men vent:POM (gentagende enhed -CH ₂ -O-) indeholder relativt flere oxygenatomer end PEG, så forklaringen tyder på en forbedret opløselighed. Imidlertid, POM er fuldstændig uopløseligt!

Induktion som forklaringsprincip

For at opklare mysteriet, forskerne fra Amsterdam og Mainz brugte en kombination af femtosekund-infrarød spektroskopi, dielektriske afslapningseksperimenter, kvanteberegninger og computersimuleringer.

Forsøgene viste, at vand-polymer-interaktionen, som bestemmer opløseligheden, afhænger stærkt af kulstof/ilt-forholdet i polymeren. Interessant nok, kvanteberegninger viste, at denne afhængighed ikke skyldes afstanden mellem iltatomerne i polymerkæden. Dette er ofte blevet foreslået - ideen er, at ilt-ilt-afstanden i PEG passer bedre ind i vandets hydrogenbindingsnetværk.

I Nature Communications viser forskerne nu, at forholdet mellem kulstof/ilt-forhold og opløselighed involverer induktion:oxygenatomerne er negativt ladede, fordi de trækker elektrontæthed fra de tilstødende kulstofatomer i polymerkæden. I PEG, hvert oxygenatom har to nabocarbonatomer fuldt ud til sin rådighed til at trække elektrontæthed fra. I POM, imidlertid, oxygenatomerne skal "dele" kulstofatomerne mellem dem, og kan derfor trække mindre elektrontæthed tilbage. Som resultat, den delvise negative ladning på oxygenatomerne i POM er cirka dobbelt så lav som i PEG. Begrebet induktion ville således perfekt forklare, hvorfor POM er meget mindre hydrofilt, og derfor uopløselig.

Elegant bekræftelse

For at bekræfte, at forskellen i iltpartialladning faktisk forklarer opløselighedsforskellen, de teoretiske forskere i holdet gennemførte et elegant computereksperiment. Først, de simulerede en opløsning af POM-molekyler, der faldt som forventet. Da de derefter ændrede iltladningerne af POM til dem, der blev beregnet for PEG, POM-med-PEG-ladningerne opløstes omgående.

Udover at løse et mangeårigt mysterium relateret til hverdagsmaterialer, resultaterne viser, at induktionseffekter kan have stor indflydelse på opløselighederne. At tage denne effekt i betragtning skulle gøre det lettere at forudsige opløseligheder i fremtiden.