Onderzoekers van Kanazawa University rapporteren in Natuurcommunicatie dat een kristal van moleculen bekend als pijler[5]arenen een gastheer-gastverbinding kan vormen met poly(ethyleenoxiden)polymeren. Het effect kan worden gebruikt om polymeren met verschillende molecuulgewichten en eindgroepen te selecteren.

Wanneer polymeren worden opgesloten in eendimensionale (1-D) kanalen, ze gedragen zich anders. Hun dynamiek verandert, en ze kunnen zich chemisch binden aan het omringende kanaal. Een team van onderzoekers onder leiding van Tomoki Ogoshi van Kanazawa University heeft nu aangetoond dat een dergelijke 1-D opsluiting, geleverd door een moleculair kristal van zogenaamde geactiveerde pijler[5]arenen, kan worden gebruikt om selectief verschillende soorten polymeren op te vangen.

De wetenschappers bestudeerden gastheer-gastbinding ('complexatie') tussen geactiveerde pijler[5]arenen (afgekort 'P5') en poly(ethyleenoxide)polymeren (afgekort 'PEO'). P5 is een molecuul bestaande uit 5 identieke organische eenheden met een benzeenring, met een vijfhoekige vorm. De monomere bouwsteen van PEO is O-CH ₂ -CH ₂ ; PEO's met 100 of meer monomeren kunnen gemakkelijk worden gesynthetiseerd.

Gastheer-gastcomplexatie werd bereikt door PEO eerst te smelten bij 80 ° C, en het vervolgens onderdompelen van de P5-moleculen geactiveerd door het drogen van solvaten in de smelt. Door middel van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie metingen, Ogoshi en collega's konden aantonen dat PEO-moleculen werden opgenomen door de P5-structuur. Röntgendiffractie-experimenten toonden aan dat de kristalstructuur van de P5-moleculen was veranderd in een netwerk met kanalen.

Vervolgens keken de onderzoekers wat er gebeurde met een mengsel van PEO's bestaande uit verschillende aantallen monomeren. Het aantal bouwstenen is van invloed op het gewicht:hoe meer monomeren, hoe zwaarder het polymeer. Ogoshi en collega's ontdekten dat de zwaardere PEO's in grotere hoeveelheden werden opgenomen, waaruit blijkt dat de P5-gastheer PEO's met een hoge massafractie kan selecteren uit een polydispers mengsel. Door middel van computersimulaties, het was mogelijk om deze bevinding toe te schrijven aan een verhoogde bindingsenergie voor de grotere (zwaardere) PEO's.

De wetenschappers onderzochten ook het effect van de eindgroep van de PEO. De snelste PEO-opname werd waargenomen voor methoxy-eindgroepen (O-CH ₃ ), waarvoor na 3 minuten een evenwichtstoestand werd bereikt. Voor OH- en NH2-eindgroepen geldt de tijden om evenwicht te bereiken waren 10 en 20 minuten, respectievelijk. Opname voor PEO met COOH als de eindgroep was traag.

De waarneming door Ogoshi en collega's dat P5-kristallen fractionering met hoge massa kunnen uitvoeren uit polymeermengsels met een brede molecuulgewichtsverdeling is belangrijk omdat, de wetenschappers citerend, "polymeren met een hoog molecuulgewicht vertonen over het algemeen superieure eigenschappen zoals verhoogde thermische stabiliteit, verbeterde mechanische eigenschappen, en hogere kristalliniteit vergeleken met polymeren met een laag molecuulgewicht."

Pijler[n]arenes

Pijler[n]arenen, collectief genoemd pijlerarenes (en soms pijlerenes), zijn cyclische organische moleculen bestaande uit n zogenaamde hydrochinon-eenheden, die kan worden vervangen. hydrochinon, ook wel quinol genoemd, heeft de chemische formule C ₆ H ₄ (OH) ₂ . Het bestaat uit een benzeenring met twee hydroxylgroepen (OH) eraan gebonden aan weerszijden van de benzeenzeshoek.

De eerste pijlerarene werd in 2008 gesynthetiseerd door Tomoki Ogoshi en collega's van de Kanazawa University. De naam pijlerarene is gekozen omdat de moleculen cilindrisch (pilaarachtig) van vorm zijn en zijn samengesteld uit aromatische delen (arenen).

Nutsvoorzieningen, Ogoshi en collega's hebben aangetoond dat kristallen van n =5 pijlerarenen selectief poly(ethyleenoxide)polymeren kunnen opnemen.

Poly(ethyleenoxide)

Poly(ethyleenoxide) (PEO), ook bekend als poly(ethyleenglycol) (PEG) en polyoxyethyleen (POE), is een polymeer met formule H-(O-CH ₂ -CH ₂ ) _N -OH, met n het aantal O-CH ₂ -CH ₂ bouwstenen (monomeren) in de constructie. Ogoshi en collega's hebben nu aangetoond dat de opname door kristallen van n =5 pijlerarenen van PEO met hogere n groter is dan voor PEO met lagere n, die een fractioneringsfunctie op molecuulgewicht verschaft.