Forskare vid Kanazawa University syntetiserade spiralformade stegpolymerer med en väldefinierad cyklisk repeterande enhet och enhands spiralgeometri, som de rapporterade i Journal of the American Chemical Society .

Stegpolymerer - molekyler gjorda av intilliggande ringar som delar två eller flera atomer - är utmanande att syntetisera, eftersom de kräver mycket selektiva, kvantitativa reaktioner för att undvika bildandet av grenstrukturer eller avbrott i ringsekvensen i polymerkedjan. Dessutom, de flesta befintliga strategier för syntes av stegpolymerer lider av allvarliga begränsningar vad gäller selektivitet och kvantitativitet. En annan viktig typ av molekyler är molekyler med en spiralformad struktur (som DNA och proteiner), som spelar en viktig roll vid molekylär igenkänning och katalys. Således, tillverkningen av molekyler som har både en stege och en spiralformad struktur kan öppna upp för nya tillämpningar av polymera material.

Tomoyuki Ikai, Timothy M. Swager och kollegor från ett internationellt samarbete startade från triptycen, ett aromatiskt kolväte som är en akiral molekyl, men från vilka kirala derivat kan erhållas genom att introducera substituenter i bensenringarna på ett asymmetriskt sätt. Optiskt aktiva triptycener har praktiska användningsområden som kirala material, till exempel för kiral separation och cirkulärt polariserade luminiscerande material. Forskarna använde sedan de kirala triptycenerna som ett ramverk för att effektivt bilda enhands spiralformade stegpolymerer med hjälp av elektrofil aromatisk substitution. Sterisk repulsion i systemet resulterade i bildandet av vridna stegenheter med en hand. Reaktionerna var kvantitativa och regioselektiva (det vill säga det finns en föredragen riktning för kemisk bindning), som möjliggjorde syntesen av optiskt aktiva stegpolymerer med väldefinierad spiralgeometri. Inga biprodukter upptäcktes.

Flera tekniker, inklusive spektroskopi och mikroskopitekniker, användes för att karakterisera reaktionsprodukterna under syntesen, och molekylära dynamiksimuleringar användes för att förstå strukturen av de resulterande molekylerna, bekräftar den högerhänta spiralstegegeometrin. Forskarna mätte också den optiska aktiviteten hos molekylerna.

Den nyligen rapporterade syntesvägen kommer att öppna upp syntesen av spiralstegearkitekturer i nanoskala och optiskt aktiva kirala material. "Vi tror att dessa stegpolymerer, som kan falla in i en ny kategori av spiralformade polymerer, representerar en lovande klass av avancerade material för användning som nanokanaler för molekylär/jontransport, organisk elektronik, specifika reaktionsfält, och funktionella värdar genom ytterligare modifiering av ryggraden och hängande enheter, " kommenterade författarna i tidningen.

Chiralitet

Ett kiralt system är ett asymmetriskt system som inte kan läggas över sin spegelbild (ordet kommer från grekiskan för händer, eftersom händer är ett bra exempel på ett kiralt system). De flesta biomolekyler och molekyler som används i farmaceutiska föreningar är kirala. Två molekyler med motsatt kiralitet har samma sammansättning och struktur, men spegelformer, och de har olika egenskaper när de interagerar med andra kirala molekyler.

Elektrofil aromatisk substitution

Elektrofil aromatisk substitution är en organisk reaktion där en atom bunden till ett aromatiskt system ersätts med en atom som är en elektronacceptor (en elektrofil). Det är en viktig klass av reaktioner, vanligtvis involverar en bensenring.

Sterisk avstötning

Sterisk repulsion är en effekt som är resultatet av frånstötande krafter som slår in när atomer kommer för nära varandra, så att deras elektronmoln överlappar varandra.