Forskere bygger en skruenøgle 1,7 nanometer bred

Hold dine to hænder op. De er identiske i struktur, men spejler modsætninger. Uanset hvor meget du prøver, de kan ikke overlejres på hinanden. Eller, som kemikere ville sige, de har "kiralitet, " fra det græske ord for hånd. Et molekyle, der er chiralt, kommer i to identiske, men modsat, former - ligesom en venstre og højre hånd.

University of Vermont kemiker Severin Schneebeli har opfundet en ny måde at bruge chiralitet til at lave en skruenøgle. En skruenøgle i nanoskala. Hans teams opdagelse giver dem mulighed for præcist at kontrollere nanoskalaformer og lover som en meget præcis og hurtig metode til at skabe skræddersyede molekyler.

Denne brug af "kiralitetsassisteret syntese" er en fundamentalt ny tilgang til at kontrollere formen på store molekyler - et af de grundlæggende behov for at lave en ny generation af komplekse syntetiske materialer, herunder polymerer og lægemidler.

UVM-holdets resultater blev præsenteret online, 9. september, i det toprangerede kemitidsskrift Angewandte Chemie .

Ligesom lego

Eksperimenterer med antracen, et stof, der findes i kul, Schneebeli og hans team samlede C-formede strimler af molekyler, der på grund af deres chiralitet, er i stand til at slutte sig til hinanden i kun én retning. "De er ligesom legos, " forklarer Schneebeli. Disse molekylære strimler danner en stiv struktur, der er i stand til at holde ringe af andre kemikalier "på en måde svarende til, hvordan et femsidet bolthoved passer ind i en femkantet skruenøgle, " skriver holdet.

De C-formede strimler kan forbindes med hinanden, med to bindinger, kun i én geometrisk orientering. Så, i modsætning til mange kemiske strukturer - som har den samme generelle formel, men er fleksible og kan dreje og rotere til mange forskellige mulige former - "har dette kun én form, " siger Schneebeli. "Det er som en rigtig skruenøgle, " siger han - med en åbning hundrede tusinde gange mindre end bredden af ​​menneskehår:1,7 nanometer.

"Den holder fuldstændig sin form, " forklarer han, selv i forskellige opløsningsmidler og ved mange forskellige temperaturer, "hvilket gør det på forhånd organiseret til at binde sig til andre molekyler på en bestemt måde, " han siger.

Denne skruenøgle, den nye undersøgelse viser, kan pålideligt binde til en familie af velkendte store molekyler kaldet "pillaren makrocykler". Disse ringe af pillaren har, dem selv, ofte blevet brugt som "vært, "i kemi-tal, at omgive og modificere andre "gæste"-kemikalier i deres midte - og de har mange mulige anvendelser fra kontrolleret lægemiddellevering til organiske lysemitterende stoffer.

"Ved at omfavne pilarenes, " skriver Vermont-holdet, "de C-formede strimler er i stand til at regulere interaktionen mellem pillarene-værter og konventionelle gæster." Med andre ord, kemikerne kan bruge deres nye skruenøgle til at fjernjustere det kemiske miljø inde i pillarene på samme måde som en mekaniker kan dreje en udvendig bolt for at justere ydelsen inde i en motor.

Den nye skruenøgle kan gøre bindingen til indersiden af ​​pillarene-ringene "ca. hundrede gange stærkere, "end det ville være uden skruenøglen, siger Schneebeli.

At lave modeller

Også, "fordi denne form for molekyle er stiv, vi kan modellere det i computeren og projicere, hvordan det ser ud, før vi syntetiserer det i laboratoriet, " siger UVM teoretisk kemiker Jianing Li, Schneebelis samarbejdspartner på forskningen og en medforfatter på den nye undersøgelse. Hvilket er præcis, hvad hun gjorde, skabe detaljerede simuleringer af, hvordan skruenøglen ville fungere, ved hjælp af computerprocessorer i Vermont Advanced Computing Core.

"Dette er en revolutionær idé, "Li sagde, "Vi har 100% kontrol over formen, som giver stor atomøkonomi - og lader os vide, hvad der vil ske, før vi begynder at syntetisere i laboratoriet."

I laboratoriet, post-doc forsker og hovedforfatter Xiaoxi Liu, bachelor Zackariah Weinert, og andre teammedlemmer blev guidet af computersimuleringerne for at teste den faktiske kemi. Ved hjælp af et massespektrometer og et NMR-spektrometer i UVM kemiafdelingen, holdet var i stand til at bekræfte Schneebelis idé.

Kreativ enkelhed

Sir Fraser Stoddart, en verdensførende kemiker ved Northwestern University, beskrev den nye undersøgelse som, "Strålende og elegant! Kreativt og enkelt." Og, Ja, det er enkelheden i tilgangen, der gør den kraftfuld, siger Schneebeli. "Det hele er baseret på geometri, der styrer symmetrien af ​​molekylerne. Dette er den eneste form, det kan tage - hvilket gør det meget nyttigt."

Næste, holdet sigter mod at modificere de C-formede stykker – som er bundet sammen med to bindinger dannet mellem to nitrogener og bromer – for at skabe andre former. "Vi laver en speciel form for spiral, der vil være fleksibel som en rigtig fjeder, Schneebeli forklarer, men vil holde sin form selv under stor stress.

"Denne spiralform kunne være superstærk og fleksibel. Den kunne skabe nye materialer, måske for sikrere hjelme eller materialer til plads, " siger Schneebeli. "I det store billede, dette arbejde peger os mod syntetiske materialer med egenskaber, i dag, intet materiale har."