Lille pumpe bygger polyrotaxaner med præcision

Northwestern University forskere har udviklet den mest præcise måde at bygge polyrotaxaner på, en mekanisk låst polymer til glidering geler, batterielektrodematerialer og platforme til levering af lægemidler.

Et halskæde-lignende molekyle lavet med ringe gevind på en polymerstreng, polyrotaxaner er notorisk vanskelige at konstruere. En ny metode fra laboratoriet af den nobelprisvindende kemiker Sir Fraser Stoddart bruger to kunstige molekylære pumper til at installere ringe på hver ende af en polymerstreng. De små pumper giver forskerne mulighed for at kontrollere præcist, hvor mange ringe der passerer til polymeren.

"Disse polyrotaxaner er aldrig før blevet lavet med så præcision, " sagde Stoddart. "Uden evnen til nøjagtigt at definere polymerens struktur, du kan ikke finjustere materialets overordnede egenskaber."

Bladet udkommer fredag ​​d. 12. juni i journalen Videnskab .

Stoddart er bestyrelsesprofessor i Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Yunyan Qiu, en postdoc i Stoddarts laboratorium, er avisens første forfatter.

Forskere har studeret polyrotaxaner i årevis, fascineret af deres strækbare mekaniske egenskaber og potentiale af materialer, der indeholder dem, til selvhelbredelse. Men, indtil nu, det var umuligt at bygge disse lovende polymerer med et præcist antal ringe.

"Traditionelt forskere blander ringene og polymererne sammen, og de danner inklusionskomplekser ved ikke-kovalente interaktioner, " sagde Qiu. "Men du kunne ikke vide, hvor mange ringe der var gevind, før du analyserede det senere ved hjælp af nuklear magnetisk resonansmikroskopi. Folk kunne til en vis grad kontrollere procentdelen af ​​ringe, men det var stadig et skøn."

For at overkomme denne udfordring, Northwestern-forskerne brugte en kunstig molekylær pumpe, som blev udviklet i Stoddarts laboratorium i 2015. Den første af sin slags, pumpen trækker strøm fra redoxreaktioner, at drive molekyler fra en lavenergitilstand til en højenergitilstand.

At bygge polyrotaxaner, pumpen anvender gentagne redoxreaktioner enten kemisk eller elektrokemisk, hvor et molekyle får eller taber elektroner. I første omgang, pumpen – placeret i begge ender af polymerstrengen – og ringene er både positivt ladede og, dermed, frastøde hinanden.

Ved indsprøjtning af elektroner, enheder i både pumper og ringe skifter fra dikiske til radikale kationiske tilstande. Pludselig, ringene tiltrækkes af pumpehovederne og trådes på begge ender af polymerstrengen. Efterfølgende oxidation fjerner elektronerne, genoprette de positive ladninger. Ringene forsøger at undslippe, men kan ikke på grund af de positivt ladede enheder i begge ender af polymerstrengen. Mild opvarmning tillader ringen at passere over et fartbump på polymerkæden. Pumpen gentager denne proces for at rekruttere ringe i par på polymerstrengen.

"Vi kan rekruttere op til 10 ringe på tråden, " sagde Qiu. "Men vi mener, at vi kun er begrænset af længden af ​​den valgte polymerkæde. Hvis vi fordobler længden af ​​polymeren, vi kan fordoble antallet af ringe."

Teamet mener også, at med denne metode, de kunne bruge mange forskellige typer polymerer til at skabe utraditionelle polyrotaxaner med usædvanlige egenskaber.

"Jeg er meget begejstret for denne forskning, " sagde Stoddart. "Jeg har lagt det op med nogle af de bedste papirer, jeg har været forbundet med i løbet af de sidste 50 år."