En effektiv tilgang til fremstilling af supramolekylære polymerer ved høj koncentration

Supramolekylære polymerer (SP'er) er molekylære samlinger sammensat af ikke-kovalent bundne små molekyler. De udviser høj genanvendelighed, der stammer fra deres dynamiske natur af monomerbinding, som er forskellig fra kovalente polymerer med ikke-biologisk nedbrydelig natur.

De små gentagne enheder, der danner SP'er, kaldet monomerer, er specifikt designet til at konstruere flere ikke-kovalente bindinger for at øge stabiliteten af ​​de resulterende SP'er. Sådanne monomerer kan organiseres i strukturelt adskilte samlinger ved at danne forskellige molekylære arrangementer afhængigt af monomerkoncentration, opløsningsmiddelsammensætning og temperatur. Denne dannelse af alsidige selvsamlede strukturer fra et enkelt molekyle omtales som polymorfi.

Imidlertid fører polymorfi potentielt til en reduktion i opløseligheden af ​​molekyler ved at danne en krystallinsk polymorf tilstand. Dette problem er fremherskende i forskellige kemiske industrier, såsom lægemidler, hvor opløseligheden af ​​et lægemiddelmolekyle påvirker lægemiddelmolekylets funktionaliteter.

For at overvinde dette problem har brugen af ​​et "coformer"-molekyle været kendt for at være en af ​​tilgangene i den farmaceutiske industri. Coformer-molekylet kan hæmme dannelsen af ​​de krystallinske polymorfe tilstande gennem co-aggregering med modermolekylet og derved øge opløseligheden af ​​lægemiddelmolekylet.

Inspireret af denne tilgang har et forskerhold fra Japan, ledet af professor Shiki Yagai fra Institute for Advanced Academic Research ved Chiba University, for nylig udforsket en ny supramolekylær coformer-tilgang. "Vi anvendte denne tilgang til en supramolekylær monomer, der kan danne en uopløselig krystallinsk polymorf tilstand," forklarer Dr. Yagai.

Deres papir, udgivet i Angewandte Chemie International Edition den 22. september 2023, er medforfatter af Atsushi Isobe fra Graduate School of Science and Engineering ved Chiba University og Dr. Takashi Kajitani fra Open Facility Center på Tokyo Institute of Technology.

Holdet har undersøgt SP'er dannet ud fra en π-konjugeret monomer funktionaliseret med en barbitursyre multipel hydrogenbindingsenhed repræsenteret af forbindelse 1. Denne supramolekylære monomer var dårligt opløselig ved at danne en krystallinsk polymorf tilstand under fremstillingsprocedurerne for SP'er.

Derfor har forskerne nydesignet forbindelse 2 med en let modificeret molekylær struktur af moderforbindelsen 1 som en supramolekylær coformer. Forbindelsen 2 var meget opløselig, fordi den molekylære modifikation effektivt forhindrede dannelsen af ​​den krystallinske polymorfe tilstand som observeret for moderforbindelsen 1. Ved blanding af de to forbindelser påviste forskerne signifikant forbedret opløselighed af modermonomeren 1 uden at påvirke dens evne til at form SP'er.

Brugen af ​​denne supramolekylære coformer hjalp således med at overvinde problemer relateret til krystallinitet og muliggjorde fremstillingen af ​​SP'er ved høje koncentrationer. Ved at udnytte den reversible natur af monomerbindinger kunne coformer-molekylerne desuden adskilles fra de resulterende SP'er.

Dr. Yagai understreger vigtigheden af ​​disse fund, siger:"Brug af coformer kan lette produktionen af ​​SP'er i stor skala, hvilket fører til evalueringen af ​​deres funktionaliteter. Anvendelsen af ​​supramolekylære polymerer kan bidrage til produktionen af ​​nye plastmaterialer, der viser høje genanvendelighed, der stammer fra reversibiliteten af ​​monomerbindinger og genanvende dem med lavere energiforbrug."

På længere sigt kan dette bane vejen for udviklingen af ​​forbedret genanvendelig plast til en bæredygtig fremtid.

Flere oplysninger: Atsushi Isobe et al., A Coformer Approach for Supramolecular Polymerization at High Concentrations, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202312516

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition

Leveret af Chiba University