Forscher entwickeln doppelfunktionale supramolekulare Materialien
Vielseitige molekulare Gerüste, so genannte diskrete supramolekulare Strukturen, wirken wie mikroskopische Bausteine, die für eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden können. Die Strukturen können zur Verabreichung von Medikamenten dienen, einzigartige Umgebungen für katalytische Reaktionen bieten oder in eine molekulare Maschine eingebaut werden.
Die Abbildung zeigt, dass Alkohol- und Wassermoleküle nur in einer der beiden Arten von Poren adsorbiert werden.
Yokohama National University
In ihrer am 25. Juni im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Arbeit stellten Forscher der Yokohama National University eine neue Methode vor, um die Selbstmontage von supramolekularen Materialien mit Doppelfunktion zu verbessern.
Selbstorganisation bedeutet die spontane Erzeugung einer wohldefinierten, diskreten supramolekularen Architektur aus einem gegebenen Satz von Komponenten unter thermodynamischem Gleichgewicht. In der Regel wird eine binäre Kombination von Vorläufern, die jeweils komplementäre funktionelle Gruppen tragen, zu einem stabilen Produkt zusammengesetzt. Mehrkomponentensysteme, die mindestens zwei Vorstufen mit identischen funktionellen Gruppen enthalten, sind noch relativ unerforscht.
Die Wissenschaftler erforschen Methoden, um verschiedene Vorstufen mit denselben funktionellen Gruppen durch "soziale Selbstsortierung" in eine einheitliche supramolekulare Struktur zu überführen. Bei der sozialen Selbstsortierung ahmen die Übergänge zwischen komplexen selbstsortierten Systemen die in der Natur vorkommenden Regulationsfunktionen nach, die zu einem selektiven, aber adaptiven Erkennungsverhalten fähig sind.
Um dieses Ziel zu erreichen, haben die Forscher strategische Ansätze entwickelt, um zufällige Inkorporation und "narzisstische Selbstsortierung" zu verhindern, bei der sich jede Art von Vorläufer zu unabhängigen Strukturen zusammensetzt.
Ein Ansatz ist die so genannte chirale Selbstsortierung, die sich auf die Komplementarität der Chiralität (Rechts- oder Linkshändigkeit) stützt. Wenn ein racemischer Vorläufer (ein Gemisch aus zwei chiralen Molekülen, den Enantiomeren) verwendet wird, werden häufig beide Enantiomere in eine einzige Struktur eingebaut.
Rechts- und linkshändige Moleküle neigen dazu, sich abwechselnd auszurichten, wenn sie kristallisieren, und es ist möglich, "Quasi-Racemate" anzuordnen, die leichte strukturelle Unterschiede zwischen der rechts- und linkshändigen Form aufweisen.
"Bisherige Forschungen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Ausrichtung dieser Moleküle, und die Anwendung dieses Phänomens auf die Entwicklung funktioneller Materialien war eine Herausforderung", so der korrespondierende Autor Suguru Ito, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften an der Yokohama National University.
In ihrer Studie untersuchte Ito's Team die Anordnung von "Quasi-Racematen" mit leichten strukturellen Unterschieden zwischen rechts- und linkshändigen Formen, um kristalline Materialien mit unterschiedlich großen Poren zu schaffen. Die soziale Selbstsortierung von zwei Paaren von Quasi-Racematen wurde durch die Bildung eines ringförmigen Moleküls mit vier Verbindungsmolekülen erreicht. Dieser stabile Ring wird durch eine reversible Reaktion zwischen den Aldehydgruppen der Quasi-Racemate und den Amingruppen der Verbindungsmoleküle gebildet. Dadurch können die ringförmigen Moleküle zu porösen Molekülkristallen kristallisieren, die zwei Arten von röhrenförmigen Poren aufweisen.
"Dies ist ein Meilenstein in der Anwendung der Anordnungstechniken für rechts- und linkshändige Moleküle auf die Herstellung funktioneller Materialien", so Ito.
Die Entwicklung poröser Materialien mit Doppelporensystemen ist eine komplexe Aufgabe, aber solche Materialien sind aufgrund ihrer fortschrittlichen Funktionalitäten sehr wertvoll. Da jede Pore individuell funktionalisiert werden kann, ermöglichen Dual-Pore-Materialien gleichzeitig mehrere Funktionen oder spezifische Designs für komplexe Anwendungen.
Experimentelle Beweise bestätigen, dass diese Doppelporen unterschiedliche Adsorptionseigenschaften aufweisen.
Diese Studie unterstreicht den Nutzen von Quasi-Racematen bei der Konstruktion von sozial selbstsortierten supramolekularen Strukturen mit zwei unterschiedlichen Funktionalitäten. Darüber hinaus schafft die Methodik die Voraussetzungen für die Erzeugung einer neuen Klasse von doppelporigen Molekülkristallen.
"Soweit wir wissen, ist dies der erste doppelporige Molekülkristall, der durch sozial selbstsortierte Makrozyklen gebildet wird", so Ito.
Zukünftige Untersuchungen werden darauf abzielen, verschiedene multifunktionale kristalline Materialien zu entwickeln, indem die Technik der Anordnung von Quasi-Rakematen angewendet wird.
"Mein ultimatives Ziel ist es, eine Methode zur präzisen Anordnung organischer Moleküle zu etablieren und funktionelle kristalline Materialien zu entwickeln, die für die Gesellschaft von Nutzen sind", so Ito.
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