Houd je twee handen omhoog. Ze zijn identiek van structuur, maar spiegel tegenstellingen. Hoe hard je ook probeert, ze kunnen niet op elkaar worden gelegd. Of, zoals chemici zouden zeggen, ze hebben "chiraliteit, " van het Griekse woord voor hand. Een molecuul dat chiraal is, komt in twee identieke, maar tegengesteld, vormen - net als een linker- en rechterhand.

De scheikundige Severin Schneebeli van de Universiteit van Vermont heeft een nieuwe manier bedacht om chiraliteit te gebruiken om een ​​moersleutel te maken. Een sleutel op nanoschaal. De ontdekking van zijn team stelt hen in staat om vormen op nanoschaal nauwkeurig te controleren en is veelbelovend als een zeer nauwkeurige en snelle methode om aangepaste moleculen te maken.

Dit gebruik van "chiraliteit-ondersteunde synthese" is een fundamenteel nieuwe benadering om de vorm van grote moleculen te controleren - een van de fundamentele behoeften voor het maken van een nieuwe generatie complexe synthetische materialen, inclusief polymeren en medicijnen.

De resultaten van het UVM-team werden online gepresenteerd, 9 september in het best beoordeelde scheikundetijdschrift Angewandte Chemie .

Zoals Lego

Experimenteren met antraceen, een stof die voorkomt in steenkool, Schneebeli en zijn team verzamelden C-vormige stroken moleculen die, vanwege hun chiraliteit, slechts in één richting bij elkaar kunnen komen. "Het zijn net Lego's, " legt Schneebeli uit. Deze moleculaire strips vormen een stijve structuur die ringen van andere chemicaliën kan vasthouden "op een manier die vergelijkbaar is met hoe een vijfzijdige boutkop in een vijfhoekige sleutel past, ’, schrijft het team.

De C-vormige stroken kunnen aan elkaar worden gekoppeld, met twee banden, in slechts één geometrische oriëntatie. Dus, in tegenstelling tot veel chemische structuren - die dezelfde algemene formule hebben maar flexibel zijn en in veel verschillende mogelijke vormen kunnen draaien en roteren - "heeft dit slechts één vorm, " zegt Schneebeli. "Het is als een echte moersleutel, " zegt hij - met een opening die honderdduizend keer kleiner is dan de breedte van mensenhaar:1,7 nanometer.

"Het behoudt volledig zijn vorm, " hij legt uit, zelfs in verschillende oplosmiddelen en bij veel verschillende temperaturen, "waardoor het voorgeorganiseerd is om op een specifieke manier aan andere moleculen te binden, " hij zegt.

Deze sleutel, de nieuwe studie laat zien, kan op betrouwbare wijze binden aan een familie van bekende grote moleculen die 'pillareen-macrocycli' worden genoemd. Deze ringen van pijlereen hebben, zich, vaak gebruikt als de "gastheer, " in chemie-spreken, om andere 'gast'-chemicaliën in hun midden te omringen en te wijzigen - en ze hebben veel mogelijke toepassingen, van gecontroleerde medicijnafgifte tot organische lichtemitterende stoffen.

"Door pilaren te omarmen, " schrijft het Vermont-team, "de C-vormige stroken zijn in staat om de interacties van pilarengastheren met conventionele gasten te reguleren." Met andere woorden, de chemici kunnen hun nieuwe sleutel gebruiken om op afstand de chemische omgeving in de pilaar aan te passen op dezelfde manier waarop een monteur een buitenbout kan draaien om de prestaties in een motor aan te passen.

De nieuwe sleutel kan binding aan de binnenkant van de pilaren ringen "ongeveer honderd keer sterker maken, "dan het zou zijn zonder de sleutel, zegt Schneebeli.

Modellen maken

Ook, "omdat dit soort molecuul rigide is, we kunnen het in de computer modelleren en projecteren hoe het eruit ziet voordat we het in het lab synthetiseren, " zegt UVM theoretisch chemicus Jianing Li, Schneebeli's medewerker aan het onderzoek en een co-auteur van de nieuwe studie. Dat is precies wat ze deed, gedetailleerde simulaties maken van hoe de sleutel zou werken, met behulp van computerprocessors in de Vermont Advanced Computing Core.

"Dit is een revolutionair idee, "Li zei, "We hebben 100% controle over de vorm, wat een geweldige atomaire economie geeft - en ons laat weten wat er zal gebeuren voordat we beginnen met synthetiseren in het laboratorium."

In het labortorium, postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur Xiaoxi Liu, niet-gegradueerde Zackariah Weinert, en andere teamleden werden begeleid door de computersimulaties om de daadwerkelijke chemie te testen. Met behulp van een massaspectrometer en een NMR-spectrometer in de UVM-chemieafdeling, het team kon het idee van Schneebeli bevestigen.

Creatieve eenvoud

Mijnheer Fraser Stoddart, een toonaangevende chemicus aan de Northwestern University, beschreef de nieuwe studie als, "Briljant en elegant! Creatief en eenvoudig." En, inderdaad, het is de eenvoud van de aanpak die het krachtig maakt, zegt Schneebeli. "Het is allemaal gebaseerd op geometrie die de symmetrie van de moleculen regelt. Dit is de enige vorm die het kan aannemen, wat het erg nuttig maakt."

Volgende, het team wil de C-vormige stukken - die aan elkaar zijn gebonden met twee bindingen tussen twee stikstoffen en broom - wijzigen om andere vormen te creëren. "We maken een speciaal soort spiraal die flexibel zal zijn als een echte veer, "Schneebeli legt uit, maar zal zelfs onder grote spanning zijn vorm behouden.

"Deze spiraalvorm zou supersterk en flexibel kunnen zijn. Het zou nieuwe materialen kunnen creëren, misschien voor veiligere helmen of materialen voor ruimte, " zegt Schneebeli. "In het grote geheel, dit werk wijst ons op synthetische materialen met eigenschappen die, vandaag, geen materiaal heeft."