Forskare vid Kanazawa University rapporterar i Naturkommunikation att en kristall av molekyler som kallas pillar[5]arener kan bilda en värd-gästförening med poly(etylenoxider) polymerer. Effekten kan användas för att välja polymerer med olika molekylvikter och ändgrupper.

När polymerer är begränsade till endimensionella (1-D) kanaler, de beter sig annorlunda. Deras dynamik förändras, och de kan kemiskt binda till den omgivande kanalen. Ett team av forskare under ledning av Tomoki Ogoshi från Kanazawa University har nu visat att en sådan 1D-inneslutning, tillhandahålls av en molekylär kristall av så kallade aktiverade pelare[5]arener, kan användas för att selektivt fånga olika typer av polymerer.

Forskarna studerade bindning mellan värd och gäst ('komplexbildning') mellan aktiverade pelare[5]arener (förkortat 'P5') och poly(etylenoxid) polymerer (förkortat 'PEO'). P5 är en molekyl som består av 5 identiska organiska enheter med en bensenring, med en femkantig form. Den monomera byggstenen för PEO är O-CH ₂ -CH ₂ ; PEO med 100 eller fler monomerer kan enkelt syntetiseras.

Värd-gästkomplexbildning uppnåddes genom att först smälta PEO vid 80°C, och sedan sänka ner P5 -molekylerna aktiverade genom att torka solvater i smältan. Med hjälp av kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopimätningar, Ogoshi och kollegor kunde visa att PEO-molekyler togs upp av P5-strukturen. Röntgendiffraktionsexperiment visade att kristallstrukturen hos P5-molekylerna hade förändrats till ett nätverk med kanaler.

Forskarna tittade sedan på vad som hände med en blandning av PEO bestående av olika antal monomerer. Antalet byggstenar påverkar vikten – ju fler monomerer, desto tyngre polymer. Ogoshi och kollegor upptäckte att de tyngre PEO togs upp i större mängder, visar att P5-värden kan välja PEO med hög massfraktion från en polydispers blandning. Med hjälp av datorsimuleringar, det var möjligt att tillskriva detta fynd en ökad bindningsenergi för de större (tyngre) PEO:erna.

Forskarna undersökte också effekten av PEO:s slutgrupp. Det snabbaste PEO-upptaget observerades för metoxiändgrupper (O-CH ₃ ), för vilket ett jämviktstillstånd uppnåddes efter 3 minuter. För OH- och NH2-ändgrupper, tiden för att nå jämvikt var 10 och 20 minuter, respektive. Upptag för PEO med COOH eftersom slutgruppen var långsam.

Observationen av Ogoshi och kollegor att P5-kristaller kan utföra hög massfraktionering från polymerblandningar med en bred molekylviktsfördelning är viktig eftersom, citerar forskarna, "polymerer med hög molekylvikt uppvisar i allmänhet överlägsna egenskaper såsom ökad termisk stabilitet, förbättrade mekaniska egenskaper, och högre kristallinitet jämfört med polymerer med låg molekylvikt. "

Pelare[n]arenes

Pelare[n]arenes, gemensamt namngivna pillararener (och ibland pillarener), är cykliska organiska molekyler som består av n så kallade hydrokinonenheter, som kan ersättas. Hydrokinon, även känd som kinol, har den kemiska formeln C ₆ H ₄ (ÅH) ₂ . Den består av en bensenring med två hydroxyl (OH) grupper bundna till den på motsatta sidor av bensen hexagon.

Den första pillararene syntetiserades 2008 av Tomoki Ogoshi och kollegor från Kanazawa University. Namnet pillararen valdes eftersom molekylerna är cylindriska (pelarliknande) till formen och består av aromatiska delar (arener).

Nu, Ogoshi och kollegor har visat att kristaller med n =5 pillararener kan ta upp poly(etylenoxid) polymerer på ett selektivt sätt.

Poly(etylenoxid)

Poly(etylenoxid) (PEO), även känd som poly(etylenglykol) (PEG) och polyoxietylen (POE), är en polymer med formeln H- (O-CH ₂ -CH ₂ ) _n -ÅH, med n antalet O-CH ₂ -CH ₂ byggstenar (monomerer) i strukturen. Ogoshi och kollegor har nu visat att upptaget av kristaller av n =5 pelare av PEO med högre n är större än för PEO med lägre n, som ger en molekylviktsfraktioneringsfunktion.