Poly [n]catenaner: syntese af molekylære sammenlåste kæder

en lille sink gør ringene alle link

selvom polymerstrenge ofte kaldes uformelt kæder, molekylære topologier, der faktisk ligner udvidede makroskopiske kædeled, har vist sig overraskende udfordrende at fremstille. De fleste tilgange har afgjort for at binde par af sammenlåste ringe midt i afstandssegmenter. Et al. rapporter nu vellykket syntese af polycatenaner, hvor snesevis af ringe er sammenhængende indbyrdes. Nøglen var at bruge sine ioner til at skabelon gevindskæring af en makrocykel forløber gennem flankerende præformede makrocykler, hvorefter metatese katalyse lukket op den første ring, og metallet kunne skylles ud.

Videnskab, dette nummer s. 1434

abstrakt

som den makromolekylære version af mekanisk sammenlåste molekyler er mekanisk sammenlåste polymerer lovende kandidater til oprettelse af sofistikerede molekylære maskiner og smarte bløde materialer. Polycatenaner, hvor molekylære kæder udelukkende består af sammenlåste makrocykler, indeholder en af de højeste koncentrationer af topologiske bindinger. Vi rapporterer heri en syntetisk tilgang til denne karakteristiske polymerarkitektur i højt udbytte (~75%) via effektiv ringlukning af rationelt designede metallosupramolekylære polymerer. Lysspredning, massespektrometrisk og nuklear magnetisk resonans karakterisering af fraktionerede prøver understøtter tildeling af det høje molære masseprodukt (antal–gennemsnitlig molmasse ~21.4 kg pr. mol) til en blanding af lineære polycatenaner, forgrenede polycatenaner og cykliske polycatenaner. Øget hydrodynamisk radius (i opløsning) og glasovergangstemperatur (i bulkmaterialer) blev observeret ved metallering med SN2+.

mekanisk sammenlåste molekyler (MIMs) såsom catenaner, rotaksaner og knuder tiltrækker stigende opmærksomhed på grund af deres æstetiske topologiske strukturer (1-3) og deres potentiale i applikationer, der spænder fra molekylære maskiner (4) til katalyse (5), lægemiddelafgivelse (6) og omskiftelige overflader (7). Et imponerende udvalg af Småmolekyler Mim ‘ er er blevet syntetiseret med succes, primært gennem korrekt orientering af forløberkomponenterne via en ikke-kovalent templerende begivenhed, der f.eks. anvender metal-ligand (1, 2, 8-10), donor-acceptor (11) eller hydrogenbinding (12) interaktioner eller den hydrofobe effekt (3) efterfulgt af et kovalent fikseringstrin. Mim ‘er med høj molmasse eller mekanisk sammenlåste polymerer (MIP’ er), såsom polyrotaksaner og polycatenaner, giver adgang til nyttige egenskaber til platforme med funktionelle bløde materialer (13). Måske er det mest bemærkelsesværdige eksempel til dato tilvejebragt af glideringgelerne (en delmængde af polyrotaksaner), hvor de mekanisk sammenlåste ringe fungerer som mobile tværbindingssteder. Disse materialer udviser anti-ridse og helbredende egenskaber og er med succes blevet anvendt som anti-ridse belægninger til mobiltelefoner og biler (14). Som fremhævet i dette eksempel er de usædvanlige mobilitetselementer i MIPs (f. eks. ring langs en tråd eller rotation af ringe) gøre dem til en specialiseret klasse af polymerer, med potentiale til at vise en meget usædvanlig matrice af egenskaber.

Catenaner består af N fortløbende sammenlåsende ringe. Polycatenaner er polymerkæder, der udelukkende består af sammenlåste ringe og kan betragtes som catenaner, for hvilke n er stor og generelt dispersitetslog > 1. Disse sammenlåste polymerer indeholder en meget høj koncentration af topologiske bindinger og kan betragtes som den molekylære ækvivalent af en makroskopisk kæde (Fig. 1A). Sådanne strukturer bevarer deres fleksibilitet uanset stivheden af deres ringkomponenter på grund af deres topologiske strukturers konformationsmobilitet, hvilket giver adgang til både høj styrke og fremragende fleksibilitet. Figur 1b viser de vigtigste konformationsmobiliteter (rotations -, forlængelses-og vippebevægelser) i rygradsrepeatenheden i en sådan kæde for passende ringstørrelser (13). Teoretiske undersøgelser har antydet, at polycatenaner med sådanne mobilitetselementer kunne udvise et stort tabsmodul og en lav aktiveringsenergi til strømning og potentielt kunne fungere som overlegne energidæmpende materialer og/eller elastomerer med fremragende sejhed og stimuli-responsive mekaniske egenskaber (13, 15, 16).

Fig. 1 struktur og konformationel mobilitet af og syntetisk tilgang til polycatenaner.

(A) skematisk repræsentation af polycatenanarkitekturen, som kan betragtes som den molekylære ækvivalent af en robust og fleksibel metalkæde. (B) almindelige konformationsbevægelser observeret i catenaner. (C) sammenligning af ringrotationsmobiliteterne i en poly (catenan) versus en polycatenan. D) målrettet syntese af polycatenan 3 via samling 1 og 2 i en metallosupramolekylær polymer (MSP) efterfulgt af ringlukning for at give et polycatenat (dvs.metalleret polycatenan) og demetallation. E) struktur af 1, 2 og 4 (ringlukket produkt af 1). Et par nøgleprotoner er mærket med blå store bogstaver i 4 og røde små bogstaver i 2. Boksen fremhæver strukturen af Bip ligand del.

syntesen af polycatenaner repræsenterer imidlertid en stor udfordring. Den bekræftede syntese af disse polymere topologier med høj molær masse er endnu ikke rapporteret. Det meste af det tidligere arbejde med polycatenaner har fokuseret på poly(catenan)s (generelt adgang til ved polymerisering af en bis-funktionaliseret catenan) (15, 17-23), poly – og oligocatenaner med uklart definerede arkitekturer (24, 25) og polymere catenaner (dvs.to sammenlåste cykliske polymerer) (26). Disse materialer har givet indsigt i de potentielt nyttige egenskaber ved MIPs. For eksempel har poly(catenane)s vist konformationsfleksibilitet langs polymerkæden i opløsning (angivet med en Kuhn-segmentlængde, der er kortere end længden af dens catenan-del) (15) og temperaturafhængig bevægelse af ringene i opløsning (18) eller i bulkmaterialer (22). På grund af de kovalente bindingsenheder, der er til stede i poly(catenane) rygraden, er rotationsgraden af ringkomponenterne i catenandelene imidlertid begrænset (Fig. 1C). Polycatenaner har derimod ringe, der udelukkende er forbundet med topologiske bindinger, hvilket tillader fuld rotationsmobilitet for hver ring (med tilstrækkelig ringstørrelse) og bør som sådan udvise mere konformationsfleksibilitet. Et af de mest succesrige forsøg på at få adgang til oligocatenaner med mindst syv sammenlåste ringe blev for nylig opnået via ringåbningspolymerisering af metallo-catenaner af Meijer, Di Stefano og kolleger (25). Produktets specifikke arkitektur kunne imidlertid ikke defineres klart. Til dato er den længste sammenlåste molekylære kæde med klart defineret struktur en lineær catenane (olympiadane) rapporteret af Stoddart og kolleger (27) og for nylig af Ivamoto et al. (28), begge via trinvise tilgange. Stoddart og kolleger har også brugt en lignende strategi for at få adgang til en forgrenet catenane (29). Disse trinvise strategier er imidlertid ikke effektive metoder til syntese af langkædede polycatenaner. En vigtig udfordring i syntesen af polycatenaner er de modstridende reaktionsbetingelser for adgang til makrocykler (kræver lav koncentration) og polymerer (kræver høj koncentration). Takata, Kihara og kolleger foreslog en elegant løsning på denne konflikt ved at konvertere en broet poly(catenane) til polycatenan (20), men til dato er der ingen rapport om en polycatenan syntetiseret via denne rute.

den syntetiske strategi mod polycatenaner skitseret heri og illustreret i Fig. 1D, sigter mod at afkoble de ovennævnte modstridende syntetiske krav gennem formontering af en metallosupramolekylær polymer (MSP) som en skabelon efterfulgt af en effektiv ringlukkende reaktion og demetallation af den resulterende metallerede polycatenan. Banebrydende af Sauvage og kolleger, metal-ligand koordination har været en af de mest succesrige syntetiske ruter mod MIMs (1, 2, 8, 9). Terdentatliganden, 2,6-bis(n-alkyl)pyridin (Bip) (Fig. 1E), som binder overgangsmetalioner såsom SN2 + eller Fe2 + i en 2:1 støkiometri, blev valgt, fordi det allerede har vist sig at få adgang til et bredt udvalg af funktionelle metallosupramolekylære polymerer, der udviser fotoheling (30), stimuli-responsiv (31), formhukommelse (32) og aktiveringsegenskaber (33). Desuden har vi for nylig vist, at catenaner kan tilgås via en næsten kvantitativ ringlukkende reaktion af en pseudorotaksan samlet fra en monotopisk Bip-indeholdende makrocykel, 2+ og en ditopisk tråd (1 med R = geksyl) i et forhold på 2:2:1 (9).

På baggrund af disse undersøgelser målrettede vi MSP-samlingen af den rationelt designede 68-ledede ditopiske Bip-makrocykel 2 med gevindmolekylet 1 og den efterfølgende ringlukning af 1 (Fig. 1E). Ved tilsætning af 2 ækvivalenter af NN2+ til 1:1-blandingen af 1 og 2 samles komponenterne selv i den alternerende supramolekylære copolymer . Alternationen er en konsekvens af princippet om maksimal belægning på stedet (34): to Bip-dele i den samme (eller forskellige) makrocykel 2 kan ikke binde den samme 2 + ion; derfor skal hver Bip-enhed i 2 danne en 2: 1 Bip:2 + ion-kompleks med en Bip-enhed i 1 For at maksimere enthalpisk forstærkning (fig. S2). Dannelsen af en MSP blev bekræftet ved diffusionsordnet spektroskopi (DOSY) (fig. S3). Den store bindingskonstant (>106 M–1 i acetonitril) mellem Bip og N2+ (35) opretholder MSP under de relativt fortyndede betingelser, der kræves for at favorisere ringlukkereaktionen (skønt cykliske MSP ‘ er bør foretrækkes under meget fortyndede betingelser). Den ringlukkende metatesereaktion viste fremragende olefinomdannelse ved 2,5 mM (i forhold til 1) (fig. S4), og den resulterende reaktionsblanding kunne let demetalleres med tetrabutylammoniumhydroksid. Figur 2a viser en sammenligning af det delvise 1H NMR-spektrum for det demetallerede råprodukt (med fokus på pyridylprotonerne HA/a) med alle mulige ikke-interlockerede biprodukter 4 (makrocykel opnået fra 1), 2 og 5 . Størstedelen af HA/a-toppene i råproduktet viser et kemisk skift i upfield, der ikke svarer til nogen af de mulige ikke-sammenkoblede arter, men er i god overensstemmelse med de kemiske skift, der er observeret i de tidligere undersøgelser af bip-holdige catenaner (9), i overensstemmelse med dannelsen af sammenlåste strukturer. Råproduktet indeholder også en lille procentdel (~20%) af ikke-interlockede molekyler, der blev tildelt uomsat 2 og polymer/oligomer 5 på basis af deres 1H NMR kemiske skift.

Fig. 2 NMR karakterisering og oprensning af polycatenanerne.

(A) partielt 1H NMR (600 MH, CDCl3) spektrum af HA/a-regionen af den rensede polycatenan sammenlignet med spektre af individuelle ringe 2 og 4 og biprodukt ADMET polymer 5 (for struktur, se fig. S5). Den gule region fremhæver protoner svarende til sammenlåste Bip-dele. B) Kromatografifri oprensning af polycatenaner via selektiv metallering og ekstraktion. (C) delvis 1H-1H NOESY spektrum af den oprensede polycatenanopløsning (1% vægt/v i CDCl3) målt ved -17 liter C. Nogle noe cross toppe mellem 2 og 4 dele er fremhævet. Røde og blå bogstaver er som i Fig. 1E. for det fulde spektrum, se fig. S13.

for at fjerne det noninterlocked biprodukt udviklede vi en procedure (Fig. 2B), der udnyttede den præorganiserede sammenlåste struktur af den målrettede polycatenan. I henhold til den sammenlåste ligandeffekt (dvs., catenand-effekten) (8, 36) binder metalioner fortrinsvis med mekanisk sammenlåste ligander snarere end ikke-sammenlåste frie ligander på grund af de reducerede entropiske omkostninger ved at bringe liganderne sammen. 1H NMR-titreringsundersøgelser (fig. S5B) bekræftede, at ved tilsætning af NN2+ til råproduktet forsvinder de arter, der er forbundet med de upfield-forskudte pyridylprotoner, når ~70% af Bip-delene metalleres, i overensstemmelse med selektiv geninstallation af de sammenlåste arter. De ikke-interlockerede biprodukter forblev umetallerede, hvilket gjorde det muligt let at adskille dem ved ekstraktion af fast væske (med 2:1 V/V chloroform/geksan), hvilket efterlod den rene polycatenan 3 som et fast stof i ~75% udbytte. Dette oprensningstrin fjerner også nogle oligomere sammenlåste produkter, primært på grund af det mindre antal sammenlåste metalionbindingssteder, hvilket gør dem statistisk mindre tilbøjelige til at binde nok metalioner til at ændre deres opløselighed.

alle NMR-toppe af det sammenlåste produkt 3 er blevet tildelt på grundlag af todimensionale NMR-undersøgelser (fig. S6 til S8). Spektroskopien bekræfter, at 3 indeholder ~50% af makrocyklen 2 og ~50% af en komponent (eller komponenter) afledt af 1 (på basis af 1H NMR-integration) (fig. S10), som er i overensstemmelse med dannelsen af den målrettede alternerende polycatenanstruktur. Den sammenlåste struktur bekræftes yderligere af nuklear Overhauser-effektspektroskopi (NOESY) (Fig. 2C). Sænkning af temperaturen (-17 liter C) for at mindske ringbevægelserne i polycatenanen giver anledning til adskillige noe-krydstoppe i fortyndede (1% vægt/v) opløsninger på 3. Af særlig interesse er interkomponent noe cross toppe mellem protoner i de forskellige makrocykler (2 og 4). Mindst fire interkomponent noe-krydstoppe-inklusive for eksempel en mellem HL på 4 og Hn/o på 2—blev observeret i 3 (Fig. 2C), men ikke i enkle blandinger af 2 og 4 eller 2 og 5 (fig. S11 og S12). Da NOE-signaler normalt kræver, at protonerne er <0,5 nm fra hinanden, antyder disse data kraftigt, at makrocykler 2 og 4 skal låses sammen, og at 3 er en polycatenan.

efter at have bekræftet den sammenlåste struktur, brugte vi næste gelpermeationskromatografi koblet til en MULTIANGLE lysspredning (GPC-MALS) detektor til måling af polymerernes absolutte molære masse (37). GPC-kromatogrammet af 3 (Fig. 3A, sort linje) viser en bred top, der er i overensstemmelse med en gennemsnitlig molmasse Mn = 21,4 kg/mol og dispersitetslit = 1,44 (tabel 1). Ved hvert elueringsvolumen vises den absolutte molære masse som den røde stiplede linje, hvilket indikerer, at produktfordelingen 3 indeholder arter med molmasse op til ~200 kg/mol, hvilket svarer til en polycatenan. Dekonvolution af den brede top i kromatogrammet giver tre underhøjder (I til III), hvilket antyder, at polycatenanproduktet kan indeholde tre forskellige arkitekturer. De målte absolutte molære masser (fra MALS) af disse tre toppe er henholdsvis 20 til 200, 10 til 40 og 6 til 10 kg/mol, hvilket svarer til henholdsvis polycatenaner, polycatenaner og polycatenaner. Den relative procentdel af de tre toppe anslås (på grundlag af spidsarealer) til henholdsvis 28, 61 og 11%.

Fig. 3 molær masse og arkitektur karakterisering af polycatenaner.

(A) GPC-kromatogram, MALS-måling af absolut molær masse og peak deconvolution på 3. a. u., vilkårlige enheder. (B) foreslåede arkitekturer svarende til de tre dekonvoluterede toppe, dannelsesmekanismen og det tilsvarende gennemsnitlige antal kædeender (NC). RCM, ringlukkende metatese. C) GPC-kromatogrammer af fraktionerede polycatenanfraktioner (3A til 3D, intensitet normaliseret med deres relative masseprocent) sammenlignet med den ufraktionerede polycatenan 3. Elueringsvolumenområderne for de tre dekonvoluterede toppe (i til III) er også vist. (D) MALDI-TOF-spektre af polycatenanfraktion 3b. de nedre toppe (markeret med stjerner) er fra multipliceret ladede molekylære ioner. m / å, masse / ladningsforhold. (E) partielle 1H NMR (500 MHR, CDCl3) spektre, der viser HA/a-regionen på 3a til 3D sammenlignet med to kontroller: catenan (6) og cyklisk polycatenan (7). De fire regioner (Kr., Kr., Kr., Kr.) er defineret. Kædeendetoppene og specifikke toppe for cykliske catenaner er fremhævet med henholdsvis gul og grøn.

tabel 1 molær masse og arkitektur på 3 og 3a til 3D.

mn, antal-gennemsnitlig molær masse; DP, polymerisationsgrad; kur, dispersitet; NC, gennemsnitligt antal kædeender; Nceks, gennemsnitligt antal kædeender for acykliske polycatenaner.

integreret billede

se denne tabel:

  • Vis popup
  • Vis inline

en mulig forklaring på toppe I til III er dannelsen af henholdsvis forgrenede, lineære og cykliske arkitekturer som illustreret i Fig. 3B.ud over de målrettede lineære polycatenaner er det bestemt muligt, at interkædereaktioner (dimerisering og oligomerisering af 4) kan forekomme, hvilket fører til forgrenede polycatenaner med højere molmasse. Desuden er det også muligt, at en procentdel af MSP ‘ erne er cykliske strukturer med lavere molmasse, hvilket igen ville føre til cykliske polycatenaner. Et bevis, der tyder på cykliske polycatenaner, er den observerede overgangstop mellem toppe II og III i den absolutte molære massemåling (Fig. 3a, ved ~9,2 ml). Hvis peak III svarer til en cyklisk geometri, ville vi forvente, at disse mere kompakte strukturer Co-eluerer med lineære polymerer med lavere molmasse (38).

for mere fuldstændigt at karakterisere polycatenanblandingen udførte vi præparativ GPC på 3 og opnåede fire fraktioner 3a til 3D. 1H NMR-undersøgelser bekræftede, at alle fire fraktioner indeholder ~50% af makrocyklen 2, i overensstemmelse med at de alle er polycatenaner (fig. S14). GPC-MALS af hver fraktion bekræftede vellykket størrelsesbaseret adskillelse (Fig. 3C og fig. S15), og de fire fraktioner viste faldende molær masse (tabel 1) med relativt snæver liter (1,11 til 1,18) (tabel 1). På basis af elueringstiderne svarer fraktionerne 3a og 3b for det meste til top i, 3C overvejende svarer til top II, og 3D indeholder en blanding af toppe II og III. Matrice-assisteret laser desorption/ioniseringstid (MALDI–TOF) massespektrometri bekræftede tilstedeværelsen af højmolære massepolymerer med molekylære iontoppe svarende til en polycatenan i 3b (Fig. 3D) og op til en polycatenan til 3c (fig. S16).

en måde at karakterisere arkitekturerne (forgrenet, lineær eller cyklisk) af polycatenanerne i fraktioner 3a til 3D er at belyse det gennemsnitlige antal kædeender (NC) af polymererne i hver fraktion. Pr. definition er NC lig med 0 for cykliske polycatenaner, 2 for lineære polycatenaner og LYR 4 for forgrenede polycatenaner (Fig. 3B). Med absolut molær masse af hver fraktion tilgængelig fra MALS, deres polymerisationsgrader (DPs, som vi definerer her som ækvivalent med n) kan let beregnes med MMALS/1544 (resultater anført i tabel 1), hvor MMALS er den molære masse fra GPC-MALS og 1544 g/mol er den gennemsnitlige molære masse på 2 og 4 (forudsat et forhold på 1:1 i polymeren). Det er derefter muligt at beregne NC ved at kombinere disse data med NMR-kædeendeanalyse (EKV. S1). Nøglen til sådanne beregninger er at finde diagnostiske kæde-ende toppe af polycatenaner i 1H NMR spektre. For at gøre dette blev en (overvejende) catenan 6 målrettet og syntetiseret ved at reagere 1 i nærvær af to ækvivalenter af 2 og 2+ ioner (fig. S17), og dets NMR-spektrum blev sammenlignet med 3a til 3D i Fig. 3E. de tre grupper af toppe for HA / A på 6 med ~1: 1: 1 spidsområder (fig. S17) blev observeret og defineret som regioner, der var henholdsvis 8.235 til 8.270 ppm, 8.195 til 8.235 ppm og 8.150 til 8.195 ppm. Den lavere intensitet af regionkrus i 3A til 3D sammenlignet med intensiteten i 6 sammen med den længere NMR-afslapningstid for protonerne i regionkurs (fig. S18), bekræfter, at denne region svarer til kædeenden (se supplerende materialer). Med denne opgave kan det gennemsnitlige antal kædeender, NC, beregnes med EKV. 1 integreret billede (1)Hvor ia/a er den samlede spidsintegration af HA/A og Ia er kædeendens spidsintegration af HA/a (dvs.region-kr. S1 til S3 for afledningsdetaljer). Resultaterne af NC-beregningerne for 3 og 3a til 3D er opsummeret i tabel 1. Fraktionerne 3A (NC = 8,7) og 3b (NC = 4,7) er overvejende forgrenede, mens 3C (NC = 1,7) og 3D (NC = 1.2) synes at indeholde forskellige mængder cykliske polycatenaner, der resulterer i NC < 2. For at identificere andelen af cykliske polycatenaner i disse sidstnævnte fraktioner blev der foretaget yderligere undersøgelser for specifikt at målrette mod en cyklisk polycatenan 7. Dette blev opnået ved at udføre MSP-formationen (under anvendelse af Fe2+ som metalionen) og ringlukkende reaktion ved meget lavere koncentrationer (se supplerende materialer og fig. S19). Sammenligning af HA / a-regionen i 1H NMR-spektre (Fig. 3E) af de cykliske polycatenanholdige fraktioner (3c, 3D og 7) viser et yderligere upfield–skift til 8,06 til 8,15 ppm (Fig. 3e, grøn region), som er defineret som region L. A. I modsætning hertil har de acykliske polycatenanholdige prøver (3a, 3b og 6) ingen toppe i denne region. Det er derfor rimeligt at konkludere, at region karrus er specifik for cykliske polycatenaner. Sammenlignet med de acykliske polycatenaner (3a og 3b) eller catenane 6 ser det ud til, at ~50% af A/A-toppe af den cykliske polycatenan 7 forskydes mere upfield. En mulig forklaring er, at den cykliske arkitektur begrænser konformationsmobilitet, hvilket resulterer i et mere kompakt molekyle (fig. S19E) og tillader yderligere afskærmningseffekter fra nærliggende aromatiske dele. I betragtning af at integralet af HA/a i 7 viser, at ~50% af dets HA/a-protoner er til stede i kursregionen (fig. S20), er det muligt at bestemme det gennemsnitlige antal kædeender for de acykliske polycatenaner (NC), der er til stede i hver fraktion med EKV. 2 (for afledning, se EKV. S3 til S5)indlejret billede(2) Hvor jeg er den maksimale integration af prisregionen i NMR-spektre (Fig. 3E). Resultaterne af disse beregninger viser, at både 3C og 3D har NC-KS-2 (med NC < 2), i overensstemmelse med det faktum, at de begge indeholder en blanding af lineære og cykliske polycatenaner, hvor procentdelen af cykliske polycatenaner i 3c og 3D er henholdsvis ~15 og ~34% (beregnet via EKV. S6). Tabel 1 opsummerer den molære masse og arkitektoniske data for 3 og de fire fraktioner 3a til 3D. Fraktionen med den højeste molære masse (3a) tildeles stærkt forgrenede polycatenaner (på basis af MALS-analyse) (fig. S15A) med en gennemsnitlig DP = 55. Fraktion 3b består af en lavere grad af forgrenede polycatenaner med en gennemsnitlig DP = 25. Fraktioner 3c og 3D indeholder hovedsageligt lineære (med nogle cykliske) polycatenaner med op til 27 (gennemsnitlig DP = 11) (fig. S15C) og 20 (gennemsnit DP = 8) (fig. S15d) sammenkoblede ringe, henholdsvis. Baseret på dataene fra de fire fraktioner kan vi estimere, at den samlede procentdel af forgrenede, lineære og cykliske polycatenaner er henholdsvis ~24, ~60 og ~16%, hvilket matcher godt med GPC peak deconvolution-resultatet (henholdsvis 28, 61, 11%) (Fig. 3A). Samlet set er disse data i overensstemmelse med, at polycatenan 3 er en blanding af forgrenede polycatenaner, lineære polycatenaner og cykliske polycatenaner i omtrent de førnævnte forhold.

det er kendt, at catenaner fremstillet via metal templating udviser metallo-responsiv adfærd (36). Som sådan blev de metallo stimuli–responsive egenskaber af disse polycatenaner undersøgt i både opløsning og bulk ved at måle den hydrodynamiske radius Rh (Fig. 4A og fig. S21) og glasovergangstemperaturen (Tg) (Fig. 4B og fig. S22), henholdsvis. Tilsætning af 2 + ioner til polycatenaner bør låse Ringenes konformationsbevægelser og derved inducere en omskifter fra en meget fleksibel polymer til en halvstiv polymer, hvor fleksibiliteten primært kommer fra tetraethylenglycol (TEG) dele (Fig. 4A). For overvejende lineære polycatenaner (3C, gennemsnitlig DP = 11) viser tilsætningen af NN2+ en væsentlig (~70%) Rh-stigning fra 3,9 til 6,6 nm (Fig. 4A). Dette resultat stemmer Godt overens med All-atom molekylær dynamik simuleringer af metalleret lineær polycatenan (se supplerende materialer). Molekyler blev simuleret med OPLS (optimerede potentialer for væskesimuleringer) all-atom kraftfelt (39) med 1,1,2,2-tetrachlorethan som opløsningsmiddel, og polymerens egenskaber blev probet under anvendelse af et kraftforlængelseseksperiment. For at modellere en polycatenan under spænding blev en catenan forbundet med sig selv gennem periodiske randbetingelser (Fig. 4C); forlængelsen blev håndhævet gennem systemets (boks) længde, som systematisk varieres; og den tilsvarende spænding følger af tryktensoren. S9). Kraftforlængelsesadfærden er godt beskrevet af den strækbare ormlignende kæde (ICC) model (40), som vist i Fig. 4C. ifølge denne fortolkning er hver makrocyklus Bidrag til konturlængden, l = 2,40 liter 0,03 nm, betydeligt mindre end persistenslængden, lp = 7,46 liter 2.88 nm, som er karakteristisk for en halvstiv polymer. Igen kan denne fleksibilitet primært tilskrives Teg-segmenterne af makrocykel 2, hvilket fremgår af større udsving i intermetalafstandene for 2 versus 4 (fig. S28 og S29). Baseret på simuleringer af en nonperiodisk metalleret catenan er Rh ~34% af ende-til-ende-afstanden (Ree). For en metalleret polycatenan af vilkårlig DP kan Ree beregnes ved hjælp af ormlignende kædestatistik. S15) og resultaterne af kraftforlængelsessimuleringerne. Rh for en gennemsnitlig polycatenan i fraktion 3c estimeres derved til 6,89 liter 1.38 nm, i god overensstemmelse med DLS-resultater (6,6 nm), hvilket yderligere understøtter konklusionen om, at fraktion 3c primært er lineær polycatenan (se supplerende materialer). Den simulerede struktur af en metalleret lineær polycatenan under ~15 PN spænding er illustreret i Fig. 4D, der viser et segment af 12 sammenlåste ringe.

Fig. 4 eksperimentelle undersøgelser af og simulering af de metallerede polycatenaner.

(a) Illustration af metallo-responsiv konformationsændring af en lineær polycatenan mellem fleksible og halvstive strukturer, som angivet ved hydrodynamisk radius (Rh) ændring (fig. S21). Fleksibiliteten af den metallerede polycatenan skyldes primært Teg-delen af makrocykel 2. B) DSC-data for lineære polycatenaner (demetallerede og metallerede) sammenlignet med data for ADMET polymer 5 (TG beregnet ved halvhøjde midtpunkt). “Ekso Up” angiver, at retningen af eksoterm varmestrøm er op. (C) simuleret kraftforlængelseskurve produceret ved at variere kasselængden af en metalleret lineær catenan, der er forbundet med sig selv gennem periodiske randbetingelser i å-retning. Data fra simuleringer (grønne cirkler, størrelsen af datapunktet inkluderer fejl) passer til den udvidelige ormlignende kæde (ICC) model (sorte bindestreger). (D) visualisering af en metalleret lineær polycatenan (viser et segment af 12 sammenlåste ringe) under en spænding på ~15 pN fra All-atom molekylær dynamik simuleringer i 1,1,2,2-tetrachlorethan opløsningsmiddel (opløsningsmiddel og hydrogenatomer udeladt for klarhed).

svarende til lineær polycatenan viser metallering af forgrenet polycatenan (3b, gennemsnitlig DP = 24,9) med 2+ en ~50% stigning i Rh ved metallering (5,0 til 7,6 nm) (fig. S21B), formodentlig som følge af en forlængelse af sine arme. Metallering af cyklisk polycatenan 7 (gennemsnitlig DP = 6) viser kun en relativt lille ændring af Rh (~10%, fra 2,4 til 2,6 nm) (fig. S21C), hvilket er i overensstemmelse med dens cykliske arkitektur, der begrænser kædeforlængelse. I bulk blev TG-værdierne af polycatenan med overvejende lineær (3C) og forgrenede arkitekturer (3B) fundet at være henholdsvis 97-og 104-kur C sammenlignet med 137-kur C for 5 (den lineære ADMET-polymer på 1). Generelt viser polymerer med større frihed til segmentbevægelse lavere Tg-værdier, hvilket er i overensstemmelse med de mere lette konformationsmolekylære bevægelser, der forventes i hele polycatenanryggen. Metallering med 2+ låser disse konformationsbevægelser og reducerer polycatenanens fleksibilitet væsentligt; som sådan observeres ingen Tg-værdier ved opvarmning op til 160 liter C for både lineære og forgrenede prøver (Fig. 4B og fig. S22).

afslutningsvis er den vellykkede syntese af hovedkædepolycatenaner via en MSP-templeret strategi opnået i ~75% udbytte. Den isolerede produktblanding omfatter lineære polycatenaner, forgrenede polycatenaner og cykliske polycatenaner. Denne syntetiske strategi åbner døren til design og syntese af en række nye sammenlåste polymerer.

supplerende materialer

HV.sciencemag.org / indhold/358/6369/1434/suppl / DC1

materialer og metoder

supplerende tekst

Fig. S1 til S29

tabeller S1 til S3

referencer (41-93)

http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse

Dette er en artikel distribueret under betingelserne i Science Journals standardlicens.

referencer og noter

  1. Lira
    1. K. S. Chichak,
    2. S. J. Cantrill,
    3. A. R. Pease,
    4. S.-H. Chiu,
    5. G. V. Cave,
    6. J. L. at,
    7. J. F. Stoddart

    , molekylære borromeanske ringe. Videnskab 304, 1308-1312 (2004). doi:10.1126 / videnskab.1096914pmid:15166376

    1. J. J. Danon,
    2. A. kr Krisger,
    3. D. A. Leigh,
    4. J. F. Lemonnier,
    5. A. J. Stephens,
    6. I. J. vitorica,
    7. S. L. ulvring

    , fletning af en molekylær knude med otte krydsninger. Videnskab 355, 159-162 (2017). doi:10.1126 / videnskab.aal1619pmidt: 28082585

    1. N. Ponnusvamy,
    2. F. B. L. Cougnon,
    3. J. M. Clough,
    4. G. D. Panto,
    5. J. K. M. Sanders

    , opdagelse af en organisk trefoil knude. Videnskab 338, 783-785 (2012). doi:10.1126 / videnskab.1227032pmid: 23139329

    1. S. Erbas-Cakmak,
    2. D. A. Leigh,
    3. C. T. McTernan,
    4. A. L. Nussbaumer

    , kunstige molekylære maskiner. Chem. Rev. 115, 10081-10206 (2015). doi: 10.1021 / acs.chemrev.5b00146pmidt: 26346838

    1. P. Thordarson,
    2. E. J. A. Bijsterveld,
    3. A. E. R. J. M. Nolte

    , Epoksidering af polybutadien af den topologisk forbundne katalysator. Natur 424, 915-918 (2003). doi:10.1038/nature01925pmid:12931181

    1. K. K. Cot, M. E. nedenfor, M. Liong, M. Liong, M. Ambrogio,
    2. Y. A. Lau, /det> H. A. Khatib,
    3. J. I. sink, N. M. Khashab,
    4. J. F. Stoddart

    , mekaniserede nanopartikler til lægemiddelafgivelse. Nanoskala 1, 16-39 (2009). pmid: 20644858

  • Lira
    1. J. J. Davis,
    2. G. A. H. sjældent, P. D. Beer

    , mekanisk sammenlåste og omskiftelige molekyler på overflader. Chem. Fælles. 46, 54-63 (2010). doi:10.1039/B915122bpmidt:20024293

    1. C. O. Dietrich-Buchecker,
    2. J. P. Sauvage,
    3. J. P. Kintsinger

    , une nouvelle famille de molecules: the metallo-catenanes. Tetrahedron Lett. 24, 5095-5098 (1983). doi:10.1016 / S0040-4039 (00)94050-4

    1. R. J. G. Ray,
    2. L. T. J. Korley,
    3. S. J. røn

    , optimering af dannelsen af 2,6-bis(n-alkyl-bensimidasolyl)pyridinholdige katenater gennem komponentdesign. Chem. Sci. 4, 4440 (2013). doi:10.1039/c3sc52082j

    1. H. Lahlali,
    2. K. Jobe,
    3. M. Goldup

    , Makrocyklusstørrelse betyder noget: “små” funktionaliserede rotaksaner i fremragende udbytte ved hjælp af cuaac aktiv skabelon tilgang. Vred. Chem. Int. Ed. 50, 4151–4155 (2011). doi: 10.1002 / anie.201100415pmid:21462287

  • Kris
    1. P. R. Ashton,
    2. T. T. Godnat,
    3. A. E. Kaifer,
    4. M. V. Reddington,
    5. A. M. sludder,
    6. N. Spencer,
    7. J. F. Stoddart,
    8. C. Vicent,
    9. D. J. Vilhelms

    , en Catenane lavet på bestilling. Vred. Chem. Int. Ed. Engl. 28, 1396–1399 (1989). doi: 10.1002 / anie.198913961

  • Kris
    1. G. A. Breault,
    2. C. A. Hunter,
    3. P. C. Mayers

    , supramolekylær topologi. Tetrahedron 55, 5265-5293 (1999). doi: 10.1016 / S0040-4020 (99)00282-3

    1. til Niu, H. Gibson

    , Polycatenaner. Chem. Rev. 109, 6024-6046 (2009). doi: 10.1021 / cr900002hpmid: 19670889

    1. Y. Noda,
    2. Y. Hayashi, K. Ito

    , fra topologiske geler til slide-ring materialer. J. Appl. Polym. Sci. 131, 40509 (2014). doi: 10.1002 / ca.40509

  • Kris
    1. J. L. Uidmann,
    2. J. Kern,
    3. J. P. Sauvage, D. Muscat, S. C. Rosenauer,
    4. H. J. R,
    5. K. Martin,
    6. Y. Geerts

    , Polycatenaner og cykliske oligocatenaner indeholdende alternerende topologiske og kovalente bindinger: syntese og karakterisering. Kemi 5, 1841-1851 (1999). doi:10.1002 / (SICI)1521-3765 (19990604)5: 6< 1841:: AID-CHEM1841>3.0.CO;2-s

  • Liri
    1. T. Pakula,
    2. K. Jesska

    , simulering af enkelt komplekse makromolekyler. 1. Struktur og dynamik af catenanes. Makromolekyler 32, 6821-6830 (1999). doi:10.1021/ma990248c

  • J. M. Kern,
  • J. Sauvage,
  • Y. Geerts,
  • D. Muscat,
  • K. M Larsen
  • /ol>, poly-catenaner indeholdende alternerende topologiske og kovalente bindinger. Chem. Commun. 1996, 1243–1244 (1996). doi:10.1039 / CC9960001243
  • Lira
    1. C. Hamers,
    2. F. M. Raymo,
    3. J. F. Stoddart

    , hovedkæde og pendant poly(catenane)s, der indeholder komplementære komponenter, der er rige på elektron og mangelfulde. EUR. J. Org. Chem. 1998, 2109-2117 (1998). doi:10.1002/(SICI)1099-0690(199810)1998:10<2109::AID-EJOC2109 >3.0.CO;2-M

    1. D. Muscat,
    2. H. J. R., K. Martin, S. Mullins, B. M Larser, K. M Larsen,
    3. > Y. Geerts

    , syntese og karakterisering af poly-catenaner indeholdende stive catenansegmenter. Makromolekyler 32, 1737-1745 (1999). doi: 10.1021 / ma981077

    1. Y. Ikari,
    2. N. Kihara,
    3. T. Takata

    , bro polycatenane. Makromolekyler 37, 6663-6666 (2004). doi: 10.1021 / ma048782u

    1. C. Hamers,
    2. O. Kocian,
    3. F. M. Raymo,
    4. J. F. Stoddart

    , en poly (biscatenan) indeholdende en kombination af kovalente, mekaniske og koordinerende bindinger. Adv. Mater. 10, 1366–1369 (1998). doi:10.1002/(SICI)1521-4095(199811)10:16<1366::AID-ADMA1366>3.0.CO;2-D

  • Kris
    1. C. A. Fustin,
    2. C. Bailly,
    3. G. J. Clarkson,
    4. P. De Groote,
    5. T. H. Galov,
    6. D. A. Leigh,
    7. D. Robertson,
    8. P. De Groote,
    9. T. H. Galov,
    10. D. A. Leigh,
    11. D. Robertson,
    12. Li >

    13. A. M. S. Vendin,
    14. J. K. Y. Vong

    , mekanisk forbundet polycarbonat. J. Am. Chem. Soc. 125, 2200–2207 (2003). doi: 10.1021 / ja0292546pmid: 12590548

    1. B. N. Ahamed,
    2. P. Van Velthem,
    3. K. Robeyns,
    4. C. A. Fustin

    , indflydelse af en enkelt catenane på faststofegenskaberne af mekanisk forbundne polymerer. ACS Macro Lett. 6, 468–472 (2017). doi: 10.1021 / acsmacrolett.7b00204

  • Kris
    1. K. Endo,
    2. T. Shiroi,
    3. N. Murata,
    4. G. Kojima,
    5. T. Yamanaka

    , syntese og karakterisering af poly(1,2-dithiane). Makromolekyler 37, 3143-3150 (2004). doi:10.1021/ma021237d

    1. J. A., Berrocal,
    2. L. M. Pitet,
    3. M. M. L. nijer,
    4. L. Mandolini,
    5. E. Meijer,
    6. li>

    7. St. Stephen

    ringåbningsmetatesepolymerisering af et diolefinisk-catenan-kobber(i) kompleks: en nem rute til polycatenaner. Makromolekyler 48, 1358-1363 (2015). doi: 10.1021 / ma502392v

  • Advincula
  • , Kateneret Pol ((CAPR makromolekyler 48, 3825-3833 (2015). doi: 10.1021 / acs.macromol.5b00470

  • Lira
    1. D. B. Amabilino,
    2. P. R. Ashton,
    3. A. S. Reder,
    4. N. Spencer,
    5. J Angu Chem. Int.Ed. Engl. 33, 1286–1290 (1994). doi: 10.1002 / anie.199412861
    1. H. Ivoto,
    2. S. Tafuku,
    3. Y. Sato,
    4. H. E. Tayama,
    5. E. Tayama,
    6. E. Hasegava,
    7. Y. Fukasa,
    8. T. Haino

    , syntese af lineære catenaner via olefin metatese dimerisering af pseudorotaksaner sammensat af en catenan og et sekundært ammoniumsalt. Chem. Commun. 52, 319–322 (2016). doi:10.1039/C5cc07562apmidt:26515104

    1. D. B. Amabilino,
    2. P. R. Ashton,
    3. S. E. Boyd,
    4. J. Y. Lee,
    5. S. menser,
    6. /li>

    7. J. F. Stoddart,
    8. D. J. Den fem-trins selv-samling af en forgrenet heptacatenan. Vred. Chem. Int. Ed. Engl. 36, 2070–2072 (1997). doi: 10.1002 / anie.199720701
  • Kris
    1. L. Tang,
    2. J. R. Kumpfer,
    3. A. J. Duncan,
    4. F. L. Beyer,
    5. G. L. Fiore,
    6. S. J. røn,
    7. C. vejr

    , optisk helbredelige supramolekylære polymerer. Natur 472, 334-337 (2011). doi:10.1038 / natur09963pmidt: 21512571

  • Lira
    1. R. J. Ved hjælp af den dynamiske binding til at få adgang til makroskopisk responsive strukturelt dynamiske polymerer. Nat. Mater. 10, 14–27 (2011). doi: 10.1038 / nmat2891pmid: 21157495
    1. J. R. Kumpfer,
    2. S. J. Rønne

    , termo-, foto-og kemo-responsive formhukommelsesegenskaber fra foto-tværbundne metallo-supramolekylære polymerer. J. Am. Chem. Soc. 133, 12866–12874 (2011). doi:10.1021 / ja205332midt: 21790172

  • Lira
    1. B. T. Michal,
    2. B. M. Mckenie,
    3. S. E. Felder,
    4. S. J. røn

    , Metallo -, termo-og fotoresponsiv formhukommelse og aktivering af flydende krystallinske elastomerer. Makromolekyler 48, 3239-3246 (2015). doi: 10.1021 / acs.macromol.5b00646

  • Kris
    1. R. Kramer,
    2. J. M. Lehn,
    3. A. Markis-Rigault

    , selvgenkendelse i helikat selvmontering: spontan dannelse af spiralformede metalkomplekser fra blandinger af ligander og metalioner. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90, 5394-5398 (1993). doi: 10.1073 / pnas.90.12.5394 pmid:11607405

  • Lira
    1. S. J. røn,
    2. J. B. Beck

    , metal-ligand induceret supramolekylær polymerisering: en rute til responsive materialer. Faraday Diskutere. 128, 43–53 (2005). doi: 10.1039 / B403135Kpmid: 15658766

    1. J. E. M. Levis,
    2. M. Galli,
    3. S. M. Goldup

    , egenskaber og nye anvendelser af mekanisk sammenlåste ligander. Chem. Commun. 53, 298–312 (2016). doi:10.1039 / C6cc07377hpmidt: 27819362

  • Lira
    1. P. J. Lysspredning og den absolutte karakterisering af makromolekyler. Anal. Chim. Acta 272, 1-40 (1993). doi: 10.1016 / 0003-2670 (93)80373-s
    1. C. V. Bielavski,
    2. D. Benitesog
    3. R. H. Grubbs

    , en “endeløs” rute til cykliske polymerer. Videnskab 297, 2041-2044 (2002). doi:10.1126 / videnskab.1075401pmidt: 12242440

    1. V. L. Jørgensen,
    2. D. S. Tirado-Rives

    , udvikling og test af OPLS all-atom kraftfelt på konformationelle Energetik og egenskaber af organiske væsker. J. Am. Chem. Soc. 118, 11225–11236 (1996). doi: 10.1021 / ja9621760

  • Lira
    1. T. Odijk

    , stive kæder og filamenter under spænding. Makromolekyler 28, 7016-7018 (1995). doi: 10.1021 / ma00124a044

    1. M. P. Sibi,
    2. G. Petrovic

    , enantioselektive radikale reaktioner: brugen af metal triflimider som Levis syrer. Tetrahedron ASM Mmetry doi:10.1016/S0957-4166(03)00543-3

    1. B. M. Mckensie,
    2. A. K. Miller,
    3. R. J. Ultecki,
    4. J. C. Johnson,
    5. K. A., Burke,
    6. K. A., Tseng,
    7. P. T. Mather,
    8. S. J. røn

    forbedret syntese af funktionaliserede mesogene 2,6-Bisbensimidasolpyridin ligander. Tetrahedron 64, 8488-8495 (2008). doi: 10.1016 / t2008.05. 075

    1. H. Sashia Roy

    , kemisk modifikation af chitosan 11: Chitosan–dendrimer hybrid som et trælignende molekyle. Carbohydr. Polym. 49, 195–205 (2002). doi:10.1016/S0144-8617(01)00322-8

  • F. Heatley, i NMR-spektroskopi af polymerer (Springer, 1993), s.1-49.
    1. M. Enamullah,
    2. Linert

    , Substituent – og solvent-virkninger på stabiliteten af jern(II)-4-2,6-bis-(bensimidasol-2′-yl)pyridinkomplekser, der viser spin-crossover i opløsning. J. Coord. Chem. 40, 193–201 (1996). doi: 10.1080/00958979608024344

    1. H. J. C. Berendsen, D. van Der Spoel,
    2. R. van Drunen

    , GROMACS: en meddelelse-passerer parallel molekylær dynamik implementering. Comput. Phys. Fælles. 91, 43-56 (1995). doi:10.1016/0010-4655(95)00042-E

    1. M. J. Abraham, T. Murtola,
    2. R. Schuls, S. P. L.,
    3. J. C. Smith, B. Hess, E. Lindahl

    , GROMACS: Højtydende molekylære simuleringer gennem parallelisme på flere niveauer fra bærbare computere til supercomputere. 1-2, 19-25 (2015). doi: 10.1016 / j.2015.06.001

    1. N. A. McDonald,
    2. U. L. Jørgensen

    , udvikling af et kraftfelt med alt atom for heterocykler. Egenskaber af flydende pyrrol, furan, diasol. J. Phys. Chem. B 102, 8049-8059 (1998). doi:10.1021 / jp981200o

    1. U. L. Jørgensen,
    2. N. A. McDonald

    , udvikling af et kraftfelt med alt atom for heterocykler. Egenskaber af flydende pyridin og diasener. J. Mol. Struct. THEOCHEM 424, 145-155 (1998). doi:10.1016/S0166-1280(97)00237-6

    1. Vi Jørgensen,
    2. J. Tirado-Rives

    , potentielle energifunktioner til atomniveau simuleringer af vand og organiske og biomolekylære systemer. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 6665-6670 (2005). doi: 10.1073 / pnas.0408037102pmidt: 15870211

    1. M. K. Dahlgren,
    2. P. Schyman,
    3. J. Tirado-Rives,
    4. Vi Jørgensen

    , karakterisering af biaryl torsionsenergi og dens behandling i OPLS all-atom kraftfelter. J. Chem. Inf. Model. 53, 1191–1199 (2013). doi:10.1021 / ci4001597pmid: 23621692

  • M. P. Allen, D. J. Tildesley, computersimulering af væsker (1989).
    1. T. Darden,
    2. D. York,
    3. L. Pedersen

    , Partikelnetfår: en n-log(N) metode til moderfår i store systemer. J. Chem. Phys. 98, 10089-10092 (1993). doi:10.1063/1.464397

    1. U. Essmann, L. Perera, M. L. Berkovits, T. Darden, H. Lee, L. G. Kp
    2. , metoden til glat partikelnet. J. Chem. Phys. 103, 8577-8593 (1995). doi:10.1063 / 1.470117

    1. S. nos Lira

    , den molekylære dynamikmetode til simuleringer i det kanoniske ensemble. Mol. Phys. 52, 255-268 (1984). doi:10. 1080/00268978400101201

    1. V. G. Hoover

    , kanonisk dynamik: Ligevægtsfase-rumfordelinger. Phys. Rev. A 31, 1695-1697 (1985). doi: 10.1103 / PhysRevA.31.1695 pmid: 9895674

    1. M. Parrinello,
    2. A. Rahman

    , polymorfe overgange i enkeltkrystaller: en ny molekylær dynamik metode. J. Appl. Phys. 52, 7182–7190 (1981). doi: 10.1063 / 1.328693

  • Y. Markus, egenskaberne af opløsningsmidler (Viley, 1998).
    1. C. Caleman,
    2. P. J. van Maaren,
    3. M. Hong,
    4. J. S. Hub,
    5. L. T. Costa,
    6. D. van Der Spoel

    , kraftfelt benchmark for organiske væsker: densitet, entalpi af fordampning, varmekapacitet, overfladespænding, isotermisk kompressibilitet, volumetrisk ekspansionskoefficient og dielektrisk konstant. J. Chem. Teori Beregne. 8, 61–74 (2012). doi:10.1021/ct200731vpmidt:22241968

    1. B. Hess,
    2. H. Bekker,
    3. H. J. C. Berendsen,
    4. J. G. E. M. Fraaije

    , LINCS: en lineær begrænsningsløser til molekylære simuleringer. J. Comput. Chem. 18, 1463–1472 (1997). doi:10.1002 / (SICI)1096-987H(199709)18:12<1463::AID-JCC4 >3.0.CO; 2-H

    1. B. Hess

    , P-LINCS: en parallel lineær begrænsningsløser til molekylær simulering. J. Chem. Teori Beregne. 4, 116–122 (2008). doi:10.1021 / ct700200bpmid: 26619985

    1. H. F. Van Gunsteren,
    2. H. J. C. Berendsen

    , computersimulering af molekylær dynamik: metodologi, applikationer og perspektiver inden for kemi. Vred. Chem. Int. Ed. Engl. 29, 992–1023 (1990). doi:10.1002 / anie.199009921

    1. med Mol graf. 14, 33–38 (1996). doi: 10.1016 / 0263-7855 (96) 00018-5pmidt:8744570
    1. G. Bussi,
    2. D. Donadio,
    3. M. Parrinello

    , kanonisk prøveudtagning gennem omskaleringshastighed. Em PHS 126, 014101 (2007). doi: 10.1063/1.2408420 pmid:17212484

    1. H. Ber van Gunsteren,
    2. A. DiNola,
    3. J. R. Haak

    , molekylær dynamik med kobling til et eksternt bad. J. Chem. Phys. 81, 3684–3690 (1984). doi:10.1063 / 1.448118

    1. D. van Der Spoel,
    2. P. J. van Maaren,
    3. C. Caleman

    , GROMACS molecule &flydende database. Bioinformatik 28, 752-753 (2012). doi:10.1093 / bioinformatik / bts020pmidt: 22238269

    1. B. J. Palmer

    , tværgående strøm autokorrelationsfunktionsberegninger af forskydningsviskositeten for molekylære væsker. Phys. Rev. E 49, 359-366 (1994). doi: 10.1103 / PhysRevE.49.359 pmid: 9961225

    1. U. F. Van Gunsteren,
    2. H. J. C. Berendsen

    , en Spring-frog algoritme til stokastisk dynamik. Mol. Simul. 1, 173–185 (1988). doi:10.1080/08927028808080941

  • M. J. Frisch, lastbiler, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, S. J. P. Hratchian, J. P. Hratchian, J. L. Sonnenberg, J. Ding, F. Lipparini, F. Egidi, J. Goings, B. Peng, A. Petrone, T. Henderson, D. Ranasinghe, F. Ding, F. Lipparini, F. Egidi, J. Goings, B. Peng, A. Petrone, T. Henderson, D. Ranasinghe Det Er Et Af De Mest Populære Områder I Verden, Der Findes I Hele Verden, Og Det Er Et Af De Mest Populære Områder I Verden, Der Findes I Hele Verden, Og Det Er Et Af De Mest Populære Områder I Verden, Der Findes I Hele Verden, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, T. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, J. M. Millam, M. Klene, C. Adamo, R. Cammi, J. V. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, O. Farkas, J. B. Foresman, D. J. ræv, Gaussisk 09, revision A. 02 (Gaussian, Inc., 2009).

    1. R. Krishnan,
    2. J. S. Binkley,
    3. R. Seeger,
    4. J. A. Pople

    , selvkonsistente molekylære orbitale metoder. Et grundlag for korrelerede bølgefunktioner. J. Chem. Phys. 72, 650–654 (1980). doi: 10.1063 / 1.438955

    1. R. A. Kendall,
    2. T. H. Dunning Jr..,
    3. R. J. Harrison

    , Elektronaffiniteter af de første række atomer revideret. Systematisk basis sæt og bølge funktioner. J. Chem. Phys. 96, 6796–6806 (1992). doi:10.1063 / 1.462569

    1. A. V. Schristtelkopf,
    2. D. M. F. van Aalten

    , PRODRG: et værktøj til høj gennemstrømningskrystallografi af protein-ligandkomplekser. Acta Crystallogr. D 60, 1355-1363 (2004). doi: 10.1107 / S0907444904011679pmidt:15272157

    1. P. It,
    2. K. M. Jr.

    , ., Metalionmodellering ved hjælp af klassisk mekanik. Chem. Rev. 117, 1564-1686 (2017). doi: 10.1021 / acs.chemrev.6b00440pmid: 28045509

    1. R. H. Stote, M. Karplus

    , Bindingsbinding i proteiner og opløsning: en enkel, men mulig nøjagtig ikke-bundet repræsentation. Proteiner 23, 12-31 (1995). doi: 10.1002 / prot.340230104pmidt:8539245

    1. H. Fan,
    2. J. Yuan,
    3. Y. Bai,
    4. J. Kong,
    5. H. U

    , Bisinc dipicrat methanoldisolvat. Acta Crystallogr. E E68, m1072 (2012). doi: 10.1107/S1600536812031443

    1. T. G. A. Youngs,
    2. C. Hardacre

    , anvendelse af statisk ladningsoverførsel inden for et ionisk-flydende kraftfelt og dets virkning på struktur og dynamik. ChemPhysChem 9, 1548-1558 (2008). doi: 10.1002 / cphc.200800200pmid:18613196

    1. J. Schmidt,
    2. C. Krekeler,
    3. F. Dommert,
    4. Y. Jhao,
    5. R. Berger,
    6. L. Delle Site,
    7. C. Holm

    , ionisk ladningsreduktion og atomare partielle ladninger fra første principper beregninger af 1,3-dimethylimidasoliumchlorid. J. Phys. Chem. B 114, 6150-6155 (2010). doi:10.1021/jp910771kmidt:20397676

    1. H. Beichel,
    2. N. Trapp,
    3. C. Hauf,
    4. O. Kohler,
    5. G. Eickerling,
    6. N. Trapp,
    7. C. Hauf,
    8. O. Kohler,
    9. G. Eickerling,
    10. i I. Krossing

    , ladningsskaleringseffekt i ioniske væsker fra ladningstæthedsanalysen af n, n’-dimethylimidasoliummethylsulfat. Vred. Chem. Int. Ed. 53, 3143–3146 (2014). doi: 10.1002 / anie.201308760pmid: 24677323

    1. F. M Pristler-Plathe,
    2. H. F. Van Gunsteren

    , computersimulering af en polymerelektrolyt: Lithiumiodid i amorf poly(ethylenoksid). J. Chem. Phys. 103, 4745–4756 (1995). doi:10.1063 / 1.470611

    1. K. J. Lin,
    2. J. K. Maranas

    forbedrer faldende ion-ion-forening kationmobilitet i enkelt ionledere? Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 16143–16151 (2013). doi: 10.1039 / c3cp51661jpmid:23986076

    1. B. M. Savoie,
    2. M. A. Netb,
    3. T. F. Miller III

    , forbedring af kationdiffusion og undertrykkelse af aniondiffusion via Levis-sure polymerelektrolytter. J. Phys. Chem. LETT. 8, 641–646 (2017). doi: 10.1021 / acs.jpclett.6b02662pmidt: 28075599

    1. H. Lee,
    2. R. M. Venable,
    3. A. D. Mackerell Jr..,
    4. R. V. Pastor

    , molekylær dynamik undersøgelser af polyethylenglycol og polyethylenglycol: hydrodynamisk radius og form anisotropi. Biofys. J. 95, 1590–1599 (2008). doi: 10.1529 / biophysj.108.133025 pmid:18456821

    1. I. C. Yeh,
    2. G. Hummer

    , systemstørrelsesafhængighed af diffusionskoefficienter og viskositeter fra molekylære dynamiksimuleringer med periodiske grænsevilkår. J. Phys. Chem. B 108, 15873-15879 (2004). doi:10.1021 / jp0477147

  • P. G. de Gennes, Skaleringskoncepter i Polymerfysik (Cornell Univ. Presse, 1979).
    1. M. D. Vang,
    2. H. Yin,
    3. R. Landick,
    4. J. Gelles,
    5. S. M. blok

    , strækker DNA med optiske pincet. Biofys. J. 72, 1335-1346 (1997). doi:10.1016 / S0006-3495 (97)78780-0pmidt:9138579

  • M. Frenkel, K. N. Marsh, Eds., Tætheder af Halokulbrinter (vol. 8J af Landolt-B Kurrnstein – gruppe IV Fysisk Kemi serie, Springer, 2003).
  • designinstitut for fysiske egenskaber, projekt 801 (American Institute for Chemical Engineering, 2010); www.aiche.org/dippr/projects/801.
  • O. Madelung, Red., Statiske dielektriske konstanter af rene væsker og binære flydende blandinger (vol. 6 af Landolt-B Kurrnstein – gruppe IV Fysisk Kemi serie, Springer, 1991).
  • C. L. Gaber, Gabhåndbog om termodynamiske og fysiske egenskaber ved kemiske forbindelser (Knovel, 2003).
  • D. R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics (CRC Press, Red. 90, 2009).
    1. G. Sivaramprasad,
    2. M. V. Rao,
    3. D. H. L. Prasad

    , Density and viscosity of ethanol + 1,2-dichloroethane, ethanol + 1,1,1-trichloroethane, and ethanol + 1,1,2,2-tetrachloroethane binary mixtures. J. Chem. Eng. Data 35, 122–124 (1990). doi:10.1021/je00060a006

    1. G. Pranami,
    2. M. H. Lamm

    , Estimating error in diffusion coefficients derived from molecular dynamics simulations. J. Chem. Theory Comput. 11, 4586–4592 (2015). doi:10.1021/acs.jctc.5b00574pmid:26889517

  • M. Rubinstein, R. H. Colby, Polymer Physics (Oxford Univ. Tryk, ed. 1, 2003).

  • anerkendelser: vi takker K. Herbert for hjælp til figurdesign og forslag til DSC-dataanalyse, P. Agraval til DOSY målinger og F. Etheridge for nyttige diskussioner. Særlig tak til S. Shang for billedet af hendes armbånd til Fig. 1A og R. Rauscher for hjælp med flere tal. Dette arbejde er finansieret af NSF under tilskud CHE 1700847, CHE 1402849 og CHE 1151423 og af University of Chicago Materials Research Science and Engineering Center, som finansieres af NSF under tildelingsnummer DMR-1420709. Yderligere data er tilgængelige i de supplerende materialer.

    Skriv et svar

    Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.