Supramoleculaire polymeren (SP's) zijn moleculaire assemblages die zijn samengesteld uit niet-covalent gebonden kleine moleculen. Ze vertonen een hoge recycleerbaarheid die voortkomt uit hun dynamische aard van monomeerbinding, die anders is dan covalente polymeren met een niet-biologisch afbreekbare aard.

De kleine zich herhalende eenheden die SP's vormen, monomeren genoemd, zijn specifiek ontworpen om meerdere niet-covalente bindingen te construeren om de stabiliteit van de resulterende SP's te verbeteren. Dergelijke monomeren kunnen worden georganiseerd in structureel verschillende samenstellingen door verschillende moleculaire rangschikkingen te vormen, afhankelijk van de monomeerconcentratie, de oplosmiddelsamenstelling en de temperatuur. Deze vorming van veelzijdige, zelf-geassembleerde structuren uit één enkel molecuul wordt polymorfisme genoemd.

Polymorfisme leidt echter potentieel tot een vermindering van de oplosbaarheid van moleculen door de vorming van een kristallijne polymorfe toestand. Dit probleem doet zich voor in verschillende chemische industrieën, zoals de farmaceutische industrie, waar de oplosbaarheid van een medicijnmolecuul de functionaliteiten van het medicijnmolecuul beïnvloedt.

Om dit probleem te overwinnen is het gebruik van een "covormer"-molecuul bekend als een van de benaderingen in de farmaceutische industrie. Het co-vormermolecuul kan de vorming van de kristallijne polymorfe toestanden remmen door co-aggregatie met het oudermolecuul, waardoor de oplosbaarheid van het geneesmiddelmolecuul wordt verbeterd.

Geïnspireerd door deze aanpak heeft een onderzoeksteam uit Japan, onder leiding van professor Shiki Yagai van het Institute for Advanced Academic Research aan de Chiba University, onlangs een nieuwe supramoleculaire covormerbenadering onderzocht. "We hebben deze aanpak toegepast op een supramoleculair monomeer dat een onoplosbare kristallijne polymorfe toestand kan vormen", legt Dr. Yagai uit.

Hun artikel, gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition op 22 september 2023, is co-auteur van Atsushi Isobe van de Graduate School of Science and Engineering van de Chiba Universiteit en Dr. Takashi Kajitani van het Open Facility Center van het Tokyo Institute of Technology.

Het team heeft SP's onderzocht die zijn gevormd uit een π-geconjugeerd monomeer gefunctionaliseerd met een meervoudige waterstofbindingseenheid van barbituurzuur, weergegeven door verbinding 1. Dit supramoleculaire monomeer was slecht oplosbaar door de vorming van een kristallijne polymorfe toestand tijdens de bereidingsprocedures van SP's.

Daarom hebben de onderzoekers verbinding 2 nieuw ontworpen met een licht gewijzigde moleculaire structuur van de moederverbinding 1 als een supramoleculaire covormer. Verbinding 2 was zeer oplosbaar omdat de moleculaire modificatie effectief de vorming van de kristallijne polymorfe toestand voorkwam, zoals waargenomen voor moederverbinding 1. Bij het mengen van de twee verbindingen toonden de onderzoekers een aanzienlijk verbeterde oplosbaarheid van moedermonomeer 1 aan, zonder het vermogen ervan te beïnvloeden. vormen SP’s.

Het gebruik van deze supramoleculaire covormer hielp dus bij het overwinnen van problemen met betrekking tot kristalliniteit en maakte de bereiding van SP's bij hoge concentraties mogelijk. Bovendien kunnen, door gebruik te maken van de omkeerbare aard van monomeerbindingen, de covormermoleculen worden gescheiden van de resulterende SP's.

Dr. Yagai benadrukt het belang van deze bevindingen en zegt:"Het gebruik van coformer kan de grootschalige productie van SP's vergemakkelijken, wat leidt tot de evaluatie van hun functionaliteiten. De toepassing van supramoleculaire polymeren kan bijdragen aan de productie van nieuwe plastic materialen die hoge prestaties leveren." recycleerbaarheid die voortkomt uit de omkeerbaarheid van monomeerbindingen en deze recycleert met een lager energieverbruik."

Op de lange termijn kan dit de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van verbeterde recyclebare kunststoffen voor een duurzame toekomst.

Meer informatie: Atsushi Isobe et al, A Coformer Approach for Supramolecular Polymerization at High Concentrations, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202312516

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie

Aangeboden door Chiba Universiteit