Polyethermoleculen hebben de neiging om beter in water op te lossen omdat ze meer zuurstof en minder koolstofatomen bevatten. Maar er zijn zeer contra-intuïtieve uitzonderingen op deze trend, de meest bekende is de veelgebruikte plastic POM. Het heeft de hoogst mogelijke zuurstof/koolstofverhouding maar is volledig onoplosbaar. In het huidige nummer van Natuurcommunicatie , onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz komen nu met een definitieve verklaring.

De onderzoekers werpen met name licht op de oplosbaarheidsverschillen tussen de polyethers PEG (polyethyleenglycol) en POM (polyoxymethyleen) die overal in ons dagelijks leven voorkomen. PEG heeft vele toepassingen in waterige oplossingen voor farmaceutische en cosmetische doeleinden, bijvoorbeeld in crèmes voor scheren en huidverzorging. POM is een alomtegenwoordig plastic materiaal:veel voorwerpen in het dagelijks leven zijn gemaakt van POM, evenals de felgekleurde Keck-clips voor het aansluiten van glaswerk, bekend bij elke chemicus.

Hoewel deze twee polyethers op moleculair niveau veel op elkaar lijken, ze hebben een zeer contra-intuïtieve oplosbaarheid in water. PEG (herhalende eenheid -CH ₂ -CH ₂ -O-) is perfect oplosbaar, en elke scheikundestudent kan je vertellen waarom:de zuurstofatomen in PEG zijn licht negatief geladen, waardoor ze hydrofiel zijn. Deze verklaring lijkt te worden bevestigd door het vergelijkbare polymeer PPG (polypropyleenglycol, herhalende eenheid-CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -O-):het bevat relatief minder zuurstofatomen dan PEG, en is minder oplosbaar, wat volkomen logisch is.

Maar wacht:POM (herhalende eenheid -CH ₂ -O-) bevat relatief meer zuurstofatomen dan PEG, dus de verklaring zou een verhoogde oplosbaarheid suggereren. Echter, POM is volledig onoplosbaar!

Inductie als verklarend principe

Om het mysterie te ontrafelen, gebruikten de onderzoekers uit Amsterdam en Mainz een combinatie van femtoseconde-infraroodspectroscopie, diëlektrische ontspanningsexperimenten, kwantumberekeningen en computersimulaties.

De experimenten toonden aan dat de water-polymeer interactie, die de oplosbaarheid bepaalt, hangt sterk af van de koolstof/zuurstofverhouding van het polymeer. interessant, kwantumberekeningen toonden aan dat deze afhankelijkheid niet te wijten is aan de afstand tussen de zuurstofatomen in de polymeerketen. Dit is vaak voorgesteld - het idee is dat de zuurstof-zuurstofafstand in PEG beter past in het waterstofbrugnetwerk van water.

In Nature Communications laten de onderzoekers nu zien dat de relatie tussen koolstof/zuurstofverhouding en oplosbaarheid inductie is:de zuurstofatomen zijn negatief geladen omdat ze elektronendichtheid onttrekken aan de naburige koolstofatomen in de polymeerketen. in PEG, elk zuurstofatoom heeft twee aangrenzende koolstofatomen volledig tot zijn beschikking om de elektronendichtheid aan te onttrekken. in POM, echter, de zuurstofatomen moeten de koolstofatomen onderling "delen", en kan daarom minder elektronendichtheid onttrekken. Als resultaat, de gedeeltelijke negatieve lading op de zuurstofatomen in POM is ongeveer twee keer zo laag als in PEG. Het concept van inductie zou dus perfect verklaren waarom POM veel minder hydrofiel is, en daardoor onoplosbaar.

Elegante bevestiging

Om te bevestigen dat het verschil in partiële zuurstoflading inderdaad het oplosbaarheidsverschil verklaart, de theoretische onderzoekers in het team voerden een elegant computerexperiment uit. Eerst, ze simuleerden een oplossing van POM-moleculen, die neerkwam zoals verwacht. Toen ze vervolgens de zuurstofladingen van POM veranderden in die berekend voor PEG, de POM-met-PEG-kosten losten onmiddellijk op.

Naast het oplossen van een al lang bestaand mysterie met betrekking tot alledaagse materialen, de resultaten laten zien dat inductie-effecten een grote invloed kunnen hebben op de oplosbaarheid. Rekening houden met dit effect zou het gemakkelijker moeten maken om oplosbaarheden in de toekomst te voorspellen.