Химики синтезировали самоорганизующиеся супрамолекулярные цепи

Ученые синтезировали цепь из механически соединенных супрамолекулярных звеньев, способную к самосборке из органических мономеров. Контролируя скорость нагрева реакционной смеси и ее состав, авторы получили стабильные в течение нескольких месяцев катенаны из тороидальных наноразмерных колец длиной до 22 звеньев. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Катенанами называют цепи из двух или нескольких звеньев-колец, соединенных не химически, а механически. Создание подобных систем — весьма нетривиальная задача. Одним из подходов к ее решению является разработка молекул, способных образовывать циклы и в то же время координироваться с другими молекулами для создания протяженных цепей. В случае, когда кольца состоят из множества ассоциированных молекул супрамолекулярного ансамбля, задача по их соединению становится особенно трудной. Однако изучение таких структур приведет к пониманию нетривиальных нанотопологических взаимодействий и разработкам материалов с особенными свойствами.
Сугата Датта (Sougata Datta) с коллегами из Университета Чиба синтезировали нанотопологическую структуру из супрамолекулярных колец с относительно большим выходом. В качестве мономера выступало органическое вещество с неполярными участками, которое также содержало атомы кислорода и связанного с водородом азота. Последнее позволяло молекулам образовывать друг с другом водородные связи, выстраиваясь в циклическую структуру, которую авторы назвали «розеткой» (rosette), из шести молекул мономера. Соединяясь друг с другом в стопки, розетки образовывали сегменты тора с радиусом кривизны около 13 нанометров.
Чтобы контролировать кинетику процесса и обеспечить желаемое образование супрамолекулярных колец, авторы регулировали скорость нагрева смеси и состав растворителя. Раствор мономеров в хорошем (полярном) растворителе вливали в девятикратный объем менее полярного растворителя. В процессе диффузии мономера в новый растворитель начиналась супрамолекулярная полимеризация, так как окружение молекул стало менее полярным, благоприятствуя стэкингу.
Оставшиеся в смеси побочные продукты, такие как короткие участки из связанных мономеров, авторы удалили с помощью нагревания смеси. При повышении температуры кусочки из «сложенных» розеток соединялись в длинные (больше микрона) закрученные волокна, которые легко было отделить фильтрованием от смеси со стабильными в этих условиях кольцами.
При добавлении мономера в полярном растворителе в смесь с кольцами, розетки складывались в новые тороиды вокруг первого звена, поверхность которого была неполярной. Добавляя последующие восемь порций мономера раз в секунду, авторы наращивали цепь. Самой длинной оказалась цепочка из 22 двух звеньев, а больше всего в смеси (почти 45 процентов всех цепей) было структур из двух соединенных колец. Цепи катенанов не разрушались в течение нескольких месяцев, что доказывает их кинетическую стабильность.
Другим примером структур с топологической связью являются молекулярные узлы. Три года назад ученые из Великобритании синтезировали сложнейшую молекулу-узел с восемью перекрещиваниями, которая может пригодиться в катализе. Также подобные системы применяют для создания молекулярных машин, о которых можно почитать в нашем материале «Машина из пробирки».
Алина Кротова