Japońscy chemicy z Institute for Molecular Science zbudowali molekularną klatkę, która wychwytuje płaskie cząsteczki aromatyczne, kierując się wyłącznie dopasowaniem kształtu. Nowy związek, nazwany „π-Armor”, potrafi w niektórych przypadkach zamknąć gościa na stałe. Cząsteczka nie ucieka nawet po podgrzaniu do 200 °C pod zmniejszonym ciśnieniem.
Chemia gospodarza i gościa
Badania nad cząsteczkami, które wychwytują inne cząsteczki, nazywa się chemią gospodarz–gość. Gospodarzem jest cząsteczka wiążąca, gościem ta, która zostaje uwięziona. Możliwe zastosowania, nad którymi pracuje się na całym świecie, obejmują czujniki, rozdzielanie substancji, katalizę i medycynę.
Wyróżnia się dwa sposoby wychwytu. Przy odwracalnym gość wielokrotnie wiąże się z gospodarzem i się od niego odłącza. Przy trwałym zostaje wbudowany w trakcie powstawania gospodarza i potem nie może się wydostać. Powstałe w ten sposób kompleksy to karcepleksy. Pierwszy opisał je w 1985 roku Donald Cram, późniejszy laureat Nagrody Nobla z chemii. Mogą one na przykład stabilnie przechowywać cząsteczki, które normalnie szybko by się rozpadły.
Z płaskimi cząsteczkami o rozbudowanym układzie wiązań π jest kłopot. Gospodarzy wiążących je odwracalnie znamy wielu, ale trwałych karcepleksów powstało bardzo niewiele. Te nieliczne opierały się na przyciąganiu między gośćmi bogatymi w elektrony a gospodarzem ubogim w elektrony, co mocno zawężało wybór cząsteczek. Dodatkowo otrzymywano mieszaninę klatek pustych i wypełnionych.
Klatka z dwóch zakrzywionych paneli
Zespół wykorzystał cząsteczkę c-HBC, zbudowaną z wielu połączonych pierścieni benzenowych i zakrzywioną na kształt tzw. siodła małpy. Dwa takie panele połączono w trzech punktach mostkami DBDA, czyli zgiętymi ośmioczłonowymi pierścieniami. Wszystkie trzy mostki powstają w jednym kroku, w środowisku kwaśnym, a wydajność klatki wynosi 55%.
Z obliczeń kwantowo-chemicznych wynika, że panele leżą równolegle w odległości około 6,3 Å. W bokach klatki znajdują się trzy otwory o szerokości około 10 Å.
Liczy się kształt, nie ładunek
Małe cząsteczki mogą wchodzić do klatki przez otwory i z niej wychodzić. Siła wiązania silnie zależała od kształtu gościa. Spośród dichlorobenzenów izomer meta wiązał się około 90 razy mocniej niż izomer para. Chlor i brom w pozycjach meta dawały podobnie mocne wiązanie, a fluor (za mały) i jod (za duży) wiązały słabiej. Klatka przyjęła też gościa z dwiema grupami metylowymi, choć jego właściwości elektronowe są przeciwne niż u wariantów z halogenami. Obliczenia wskazują, że wiązanie opiera się głównie na siłach dyspersyjnych.
Większe cząsteczki, z trzema podstawnikami w pozycjach 1,3,5, nie mieściły się w otworach. Badacze zsyntetyzowali więc klatkę w ich obecności. Powstały karcepleksy z uwięzionymi gośćmi (wydajność do 57%), a pustych klatek nie wykryto. Tak samo udało się zamknąć cząsteczki z trzema grupami metylowymi i z halogenami, co pokazuje, że decyduje dopasowanie kształtu.
Zespół uwięził również większą cząsteczkę z trzema ramionami wystającymi przez otwory. Gdy była już w klatce, na końcach ramion przeprowadzono reakcje, które dołączyły kolejne pierścienie aromatyczne. Zamknięty gość można więc jeszcze chemicznie modyfikować.
Co to oznacza w praktyce
To podstawowe badanie laboratoryjne, opublikowane w „Journal of the American Chemical Society”. Na gotowe produkty trzeba będzie poczekać, o ile w ogóle powstaną. Autorzy widzą potencjał w ochronie niestabilnych cząsteczek oraz w tworzeniu nowych materiałów o właściwościach optycznych lub elektronicznych, wynikających z uwięzionych gości.
Dla czytelnika w Polsce czy w UE nie ma tu żadnych bezpośrednich konsekwencji, na przykład regulacyjnych czy rynkowych. To raczej przykład kierunku, w którym rozwija się chemia materiałowa. Badania prowadzili Yasutomo Segawa, Takashi Harimoto i Haruka Kano.
Źródło: Phys.org – „’Molecular armor’ can trap shape-matched planar molecules”
