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Feb 12, 2024

Multizyklische Molekülräder mit Polymerpotential

Rotaxane sind ineinandergreifende Molekülstrukturen mit einem linearen „Achsen“-Molekül, das ein oder mehrere zyklische „Rad“-Moleküle durchdringt. Sperrige Gruppen am Ende der Achse verhindern, dass sich die Räder lösen.

Rotaxane sind ineinandergreifende Molekülstrukturen mit einem linearen „Achsen“-Molekül, das ein oder mehrere zyklische „Rad“-Moleküle durchdringt. Sperrige Gruppen am Ende der Achse verhindern, dass sich die Räder lösen. Nun haben Forscher der Universität Hokkaido die bisherigen Errungenschaften dieser Technologie einen Schritt weitergeführt und Makrorotaxane hergestellt, deren multizyklische Räder mit mehreren Achsen mit hohem Molekulargewicht ineinandergreifen.Sie berichten über ihre Innovationin the journal Angewandte Chemie International Edition.

Rotaxane, die zunächst als faszinierende chemische Kuriositäten galten, werden nun für ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen erforscht, die von Polymeren der nächsten Generation bis hin zu ehrgeizigen Möglichkeiten in den Bereichen Molekularcomputer, Sensortechnologien und Arzneimittelabgabe reichen.

Die Forscher der Hokkaido-Universität konzentrieren sich gemeinsam mit Kollegen aus anderen Teilen Japans auf die Herstellung neuer Netzwerkpolymere, bei denen Ringstrukturen, die komplexer sind als einfache Kreise, verschiedene Stränge langer Polymerketten zusammenhalten.

„Wir glauben, dass die multizyklischen Strukturen in diesen Makrorotaxanen als nicht auslaugende Additive nützlich sein könnten, da sie durch die Art und Weise, wie sie an mehreren benachbarten Polymerketten festhalten, dauerhaft in einem Polymernetzwerk erhalten bleiben“, sagt Polymerchemiker-Professor Toshifumi Satoh vom Hokkaido-Team.

Die 3D-Räder fungieren als einzigartige und hochflexible Form molekularer Vernetzungen und ermöglichen den Rädern und den ineinandergreifenden Polymersträngen viel mehr Bewegungsfreiheit als in herkömmlich vernetzten Netzwerken. Strukturelle Variationen sollen eine genaue Kontrolle der Eigenschaften weicher Materialien ermöglichen, um sie für eine Vielzahl industrieller und medizinischer Anwendungen geeignet zu machen.

Andere Forschungsgruppen haben mit kleineren Molekülanordnungen ähnliche Erfolge erzielt, aber die Fortschritte an der Hokkaido-Universität verlagern das Gebiet in den Bereich größerer Moleküle.

Die Forscher untersuchten einige der Möglichkeiten dieser bedeutenden neuen Entwicklung in der Polymerchemie, indem sie zur Herstellung der multizyklischen Ringe Chemikalien namens Polydimethylsiloxane (PDMS) verwendeten. Sie konnten unterschiedlich viele zyklische Einheiten mit unterschiedlich großen Ringen aufbauen. In Kombination mit Silikonpolymerketten mit kurzen Vernetzungsmitteln wurden die multizyklischen Einheiten effizient in ein neu entstehendes ausgedehntes, gemischtes und ineinandergreifendes Netzwerk eingebaut.

„Wir haben das Potenzial für die Herstellung modifizierter weicher Materialien untersucht, indem wir die Dämpfungsleistung der Netzwerke gemessen haben, bei der es sich im Wesentlichen um die Fähigkeit eines Materials handelt, Vibrationen zu absorbieren und zu reduzieren“, sagt Satoh. „Dabei zeigte sich, dass unsere Makrorotaxane im Vergleich zu herkömmlichen Polymernetzwerken deutliche Verbesserungen der Dämpfungseffizienz erzielten.“

Satoh und seine Kollegen planen nun, weitere Möglichkeiten zu erkunden, die auf den Proof-of-Concept-Grundlagen aufbauen können, die durch ihre aktuellen Fortschritte gelegt wurden.

- Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Hokkaido-Universität veröffentlicht