Supramolekylära polymerer (SP) är molekylära sammansättningar som består av icke-kovalent bundna små molekyler. De uppvisar hög återvinningsbarhet som härrör från deras dynamiska natur av monomerbindning, vilket skiljer sig från kovalenta polymerer med icke biologiskt nedbrytbar natur.
De små repeterande enheterna som bildar SP, kallade monomerer, är specifikt utformade för att konstruera flera icke-kovalenta bindningar för att förbättra stabiliteten hos de resulterande SP:erna. Sådana monomerer kan organiseras i strukturellt distinkta sammansättningar genom att bilda olika molekylära arrangemang beroende på monomerkoncentration, lösningsmedelssammansättning och temperatur. Denna bildning av mångsidiga självmonterade strukturer från en enda molekyl kallas polymorfism.
Emellertid leder polymorfism potentiellt till en minskning av molekylernas löslighet genom att bilda ett kristallint polymorft tillstånd. Detta problem är utbrett i olika kemiska industrier, såsom läkemedel, där lösligheten av en läkemedelsmolekyl påverkar läkemedelsmolekylens funktionalitet.
För att övervinna detta problem har användningen av en "sambildare"-molekyl varit känd för att vara ett av tillvägagångssätten inom läkemedelsindustrin. Sambildarens molekyl kan hämma bildandet av de kristallina polymorfa tillstånden genom samaggregation med modermolekylen, och därigenom förbättra lösligheten av läkemedelsmolekylen.
Inspirerat av detta tillvägagångssätt har ett forskarlag från Japan, ledd av professor Shiki Yagai från Institutet för avancerad akademisk forskning vid Chiba University, nyligen utforskat en ny supramolekylär coformer-metod. "Vi tillämpade detta tillvägagångssätt på en supramolekylär monomer som kan bilda ett olösligt kristallint polymorft tillstånd", förklarar Dr Yagai.
Deras uppsats, publicerad i Angewandte Chemie International Edition den 22 september 2023, är medförfattare av Atsushi Isobe från Graduate School of Science and Engineering vid Chiba University och Dr. Takashi Kajitani från Open Facility Center vid Tokyo Institute of Technology.
Teamet har undersökt SPs bildade från en π-konjugerad monomer funktionaliserad med en barbitursyra multipel vätebindande enhet representerad av förening 1. Denna supramolekylära monomer var dåligt löslig genom att bilda ett kristallint polymorft tillstånd under beredningsprocedurerna för SPs.
Därför har forskarna nydesignat förening 2 med en något modifierad molekylstruktur av moderföreningen 1 som en supramolekylär sambildare. Föreningen 2 var mycket löslig eftersom den molekylära modifieringen effektivt förhindrade bildandet av det kristallina polymorfa tillståndet som observerats för moderföreningen 1. Vid blandning av de två föreningarna visade forskarna signifikant förbättrad löslighet för modermonomeren 1, utan att påverka dess förmåga att bilda SPs.
Användningen av denna supramolekylära samformare hjälpte sålunda till att övervinna problem relaterade till kristallinitet och möjliggjorde framställning av SP:er vid höga koncentrationer. Dessutom, genom att använda den reversibla naturen hos monomerbindningar, kunde sambildarmolekylerna separeras från de resulterande SP:erna.
Dr Yagai betonar vikten av dessa fynd, säger Dr. Yagai:"Användning av samformare kan underlätta storskalig produktion av SP, vilket leder till utvärdering av deras funktionalitet. Appliceringen av supramolekylära polymerer kan bidra till produktionen av nya plastmaterial som visar hög återvinningsbarhet som härrör från reversibiliteten av monomerbindningar och återvinna dem med lägre energiförbrukning."
På sikt kan detta bana väg för utveckling av förbättrad återvinningsbar plast för en hållbar framtid.
Mer information: Atsushi Isobe et al, A Coformer Approach for Supramolecular Polymerization at High Concentrations, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202312516
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition
Tillhandahålls av Chiba University
