Krediet: Dr. Masahiro Yamashina
Amfifiele moleculen, die moleculen aggregeren en inkapselen in water, worden op verschillende gebieden van de chemie gebruikt. De eenvoudige, toevoegingsvrije verbinding van hydrofiele en hydrofobe moleculen zou een efficiënte methode zijn voor de synthese van amfifiele moleculen. Dergelijke verbindingen of bindingen zijn echter vaak kwetsbaar in water. Nu hebben wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology een eenvoudige manier ontwikkeld om waterstabiele amfifielen te bereiden door eenvoudig te mengen. Hun nieuwe katalysator- en reagensvrije methode zal helpen bij het creëren van meer functionele materialen.
Zepen en wasmiddelen worden gebruikt om dingen zoals kleding en servies schoon te maken. Maar hoe werken ze eigenlijk? Het blijkt dat ze zijn gemaakt van lange moleculen met een "hydrofiel" of waterminnend deel en een "hydrofoob" of water-hatend deel. Wanneer ze aan water worden toegevoegd, assembleren deze moleculen zichzelf om gigantische, sferische "supramoleculen" genaamd micellen te vormen die het opruimen gedaan krijgen door het hydrofobe deel te gebruiken om het vet op te vangen.
Deze moleculen, die door chemici bekend staan als 'amfifielen', hebben veel aandacht gekregen vanwege hun bruikbaarheid bij het ontwikkelen van supramoleculaire materialen. De synthese van amfifielen vereist meestal verschillende reacties en zuiveringen. Als hydrofiele en hydrofobe moleculen daarentegen eenvoudig zonder chemicaliën met elkaar zouden kunnen worden verbonden, zou het een zeer krachtige synthetische methode zijn. Er zijn tegenwoordig zelfs enkele reacties bekend die geen katalysatoren of reagentia vereisen. Ze hebben echter een fatale fout: hun chemische bindingen zijn onstabiel in water, het medium dat nodig is voor micelvorming!
Dit probleem aanpakken in een recente studie gepubliceerd in Angewandte Chemie, wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, onder leiding van Dr. Masahiro Yamashina en Prof. Shinji Toyota, hebben nu een oplossing bedacht met behulp van een chemische reactie die bekend staat als de "Staudinger-reactie", waarbij een azide (hydrofiel deel) en een fosfine (hydrofoob deel) combineren om een "azaylide" te vormen.
“Hoewel een typische Staudinger-reactie snel en kwantitatief verloopt bij kamertemperatuur, hydrolyseert het gevormde azaylide gemakkelijk tot een primair amine en fosfineoxide in water. Daarentegen is onlangs een 'niet-hydrolyse' versie van deze reactie gevonden, waarbij een halogeenatoom, zoals chloor, toegevoegd aan een azideverbinding de hydrostabiliteit van azaylide aanzienlijk verbetert”, legt Yamashina uit.
Dienovereenkomstig heeft het team van wetenschappers een gechloreerde azide-subcomponent bereid en gemengd met tris(p-tolyl)fosfine (PTol3), trifenylfosfine (PPh3) en tris(p-anisyl)fosfine (PAni3) om de op azaylide gebaseerde amfifielen NPTol3 te verkrijgen , NPPh3 en NPAni3, respectievelijk. Vervolgens losten ze de amfifielen op in water om hun zelf-assemblerende gedrag te observeren en vonden in elk geval spontane aggregatie. Verdere metingen lieten zien dat de aggregaten de vorm hadden van bolletjes van ongeveer 2 nm groot.
Het team bereidde ook de overeenkomstige niet-gechloreerde op azaylide gebaseerde amfifielen – nNPTol3, nNPPh3 en nNPAni3 – en onderzocht de waterstabiliteit van zowel de gechloreerde als de niet-gechloreerde azayliden. De niet-gechloreerde azayliden vielen snel uiteen in water, terwijl hun gechloreerde tegenhangers stabiel bleven. Hoewel het verschil duidelijk te wijten was aan de aanwezigheid van het chlooratoom, was het onderliggende mechanisme onduidelijk. Om dit te achterhalen, voerden de wetenschappers dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit die hen hielpen de structuren van de azayliden te begrijpen.
Ten slotte, toen het werd getest met hydrofobe organische kleurstoffen zoals Nile Red en BODIPY, zag het team dat de kleurstofmoleculen werden ingekapseld door de bolvormige azaylide-aggregaten, waardoor ze het gewenste amfifiele gedrag vertoonden. "De azaylide-formatie die in onze studie wordt gepresenteerd, dient als een haalbare techniek voor de on-site bereiding van waterstabiele amfifielen zonder katalysatoren en reagens, wat kan helpen in de toekomst meer van dergelijke functionele materialen te creëren", zegt een opgewonden Yamashina.
De ontdekking van het team zal zeker helpen om aanzienlijke vooruitgang te boeken in de ontwikkeling van zeer veelzijdige functionele materialen, zelfs in waterige media.
###
Gerelateerde links
De wondere wereld van ultrakleine containers, Supramoleculaire
https: /
Supramoleculaire chemie: Moleculen omhullen met moleculen – Perseminar gehouden
https: /
Een nanoruimte als geen ander creëren
https: /
Biomimetica: kunstmatige receptor maakt onderscheid tussen mannelijke en vrouwelijke hormonen
https: /
Over het Tokyo Institute of Technology
Tokyo Tech staat in de voorhoede van onderzoek en hoger onderwijs als de toonaangevende universiteit voor wetenschap en technologie in Japan. Tokyo Tech-onderzoekers blinken uit op gebieden variërend van materiaalkunde tot biologie, informatica en natuurkunde. Opgericht in 1881, herbergt Tokyo Tech meer dan 10,000 niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten per jaar, die zich ontwikkelen tot wetenschappelijke leiders en enkele van de meest gewilde ingenieurs in de industrie. De Tokyo Tech-gemeenschap belichaamt de Japanse filosofie van 'monotsukuri', wat 'technisch vernuft en innovatie' betekent, en streeft ernaar een bijdrage te leveren aan de samenleving door middel van hoogwaardig onderzoek.
https: /
PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
