Poly [n] catenanes: Sintesi di catene interbloccate molecolari

Un po ‘ di zinco rende gli anelli all link

Sebbene i fili polimerici siano spesso chiamati informalmente catene, le topologie molecolari che in realtà assomigliano a catene macroscopiche estese si sono dimostrate sorprendentemente difficili da realizzare. La maggior parte degli approcci si sono stabiliti per legare coppie di anelli interbloccati tra segmenti distanziali. Wu et al. ora segnalare la sintesi di successo di policatenani in cui decine di anelli sono consecutivamente interconnessi. La chiave stava usando ioni di zinco per modellare la filettatura di un precursore macrociclo attraverso macrocicli preformati affiancati, dopo di che la catalisi della metatesi ha chiuso il primo anello e il metallo potrebbe essere svuotato.

Science, this issue p. 1434

Abstract

Come versione macromolecolare di molecole meccanicamente interbloccate, i polimeri meccanicamente interbloccati sono candidati promettenti per la creazione di sofisticate macchine molecolari e materiali morbidi intelligenti. I policatenani, dove le catene molecolari consistono esclusivamente di macrocicli interbloccati, contengono una delle più alte concentrazioni di legami topologici. Riportiamo, qui, un approccio sintetico verso questa architettura polimerica distintiva ad alto rendimento (~75%) tramite un’efficiente chiusura ad anello di polimeri metallosupramolecolari progettati razionalmente. La caratterizzazione di scattering della luce, spettrometria di massa e risonanza magnetica nucleare di campioni frazionati supporta l’assegnazione del prodotto di massa molare alta (numero-massa molare media ~21.4 chilogrammi per mole) ad una miscela di policatenani lineari, policatenani ramificati e policatenani ciclici. È stato osservato un aumento del raggio idrodinamico (in soluzione) e della temperatura di transizione vetrosa (in materiali sfusi) durante la metallizzazione con Zn2+.

Molecole meccanicamente interbloccate (MIMs) come catenani, rotaxani e nodi stanno attirando sempre più attenzione a causa delle loro strutture topologiche estetiche (1-3) e del loro potenziale in applicazioni che vanno dalle macchine molecolari (4) alla catalisi (5), alla somministrazione di farmaci (6) e alle superfici commutabili (7). Una serie impressionante di MIMs di piccole molecole è stata sintetizzata con successo, principalmente attraverso il corretto orientamento dei componenti precursori tramite un evento di templating noncovalente che impiega, ad esempio, interazioni metal-ligand (1, 2, 8-10), donatore-accettore (11) o legame idrogeno (12) o l’effetto idrofobo (3), seguito da una fase di fissaggio covalente. I MIMS ad alta massa molare, o polimeri meccanicamente interbloccati (MIPs), come i polirotassani e i policatenani, offrono l’accesso a proprietà utili per piattaforme funzionali di materiali morbidi (13). Forse l’esempio più notevole fino ad oggi è fornito dai gel ad anello scorrevole (un sottoinsieme di polirotassani), dove gli anelli meccanicamente interbloccati fungono da siti di reticolazione mobili. Questi materiali presentano caratteristiche antigraffio e cicatrizzanti e sono stati applicati con successo come rivestimenti antigraffio per telefoni cellulari e automobili (14). Come evidenziato da questo esempio, gli elementi di mobilità insoliti in MIPs (ad es., barriera a bassa energia per lo scorrimento dell’anello lungo un filo o rotazione di anelli) li rendono una classe specializzata di polimeri, con il potenziale per visualizzare una matrice molto insolita di proprietà.

I catenani sono costituiti da n anelli consecutivi ad incastro. I policatenani sono catene polimeriche composte interamente da anelli interbloccati e possono essere pensati come catenani per i quali n è grande e, generalmente, dispersità Đ > 1. Questi polimeri interbloccati contengono un’altissima concentrazione di legami topologici e possono essere considerati l’equivalente molecolare di una catena macroscopica (Fig. 1 BIS). Tali strutture mantengono la loro flessibilità indipendentemente dalla rigidità dei loro componenti ad anello a causa della mobilità conformazionale delle loro strutture topologiche, consentendo l’accesso sia ad alta resistenza che ad eccellente flessibilità. La figura 1B mostra le principali mobilità conformazionali (movimenti rotazionali, elongazionali e oscillanti) nell’unità di ripetizione della spina dorsale di tale catena per dimensioni dell’anello appropriate (13). Studi teorici hanno suggerito che i policatenani con tali elementi di mobilità potrebbero esibire un grande modulo di perdita e una bassa energia di attivazione per il flusso e potrebbero potenzialmente agire come materiali di smorzamento energetico e/o elastomeri superiori con eccellente tenacità e proprietà meccaniche reattive agli stimoli (13, 15, 16).

Fig. 1 Struttura e mobilità conformazionale e approccio sintetico ai policatenani.

(A) Rappresentazione schematica dell’architettura policatenana, che può essere pensata come l’equivalente molecolare di una catena metallica robusta e flessibile. B) Movimenti conformazionali comuni osservati nei catenani. (C) Confronto delle mobilità rotazionali dell’anello in un poli (catenano) rispetto a un polycatenano. (D) Sintesi mirata di policatenano 3 tramite assemblaggio 1 e 2 in un polimero metallosupramolecolare (MSP), seguita da chiusura ad anello per produrre un policatenato (cioè policatenano metallizzato) e demetallazione. (E) Struttura di 1, 2 e 4 (prodotto chiuso ad anello di 1). Alcuni protoni chiave sono etichettati con lettere maiuscole blu in 4 e lettere minuscole rosse in 2. La scatola evidenzia la struttura della porzione di ligando Bip.

La sintesi dei policatenani, tuttavia, rappresenta una sfida importante. La sintesi confermata di queste topologie polimeriche di alta massa molare deve ancora essere riportata. La maggior parte del lavoro precedente sui policatenani si è concentrata su poli(catenano)s (generalmente accessibile polimerizzando un catenano bis-funzionalizzato) (15, 17-23), poli – e oligocatenani con architetture non definite (24, 25) e catenani polimerici (cioè due polimeri ciclici interbloccati) (26). Questi materiali hanno permesso approfondimenti sulle proprietà potenzialmente utili di MIPs. Ad esempio, i poli(catenani)s hanno mostrato flessibilità conformazionale lungo la catena polimerica in soluzione (indicata da una lunghezza del segmento di Kuhn più corta della lunghezza della sua frazione catenana) (15) e dal movimento dipendente dalla temperatura degli anelli in soluzione (18) o in materiali sfusi (22). Tuttavia, a causa delle unità di collegamento covalente presenti nella spina dorsale di poli(catenano), il grado di rotazione dei componenti dell’anello nelle parti di catenano è limitato (Fig. 1C). I policatenani, d’altra parte, hanno anelli collegati esclusivamente da legami topologici, consentendo la piena mobilità rotazionale di ogni anello (con dimensioni sufficienti dell’anello) e, come tale, dovrebbero mostrare una maggiore flessibilità conformazionale. Uno dei tentativi più riusciti di accedere agli oligocatenani con almeno sette anelli interbloccati è stato recentemente realizzato attraverso la polimerizzazione dell’apertura dell’anello di metallo-catenani da parte di Meijer, Di Stefano e collaboratori (25). Tuttavia, non è stato possibile definire chiaramente l’architettura specifica del prodotto. Ad oggi, la catena molecolare interbloccata più lunga con struttura chiaramente definita è un catenano lineare (olympiadane) riportato da Stoddart e colleghi (27) e, più recentemente, da Iwamoto et al. (28), sia attraverso approcci graduali. Stoddart e collaboratori hanno anche utilizzato una strategia simile per accedere a un catenane ramificato (29). Queste strategie passo-saggio, tuttavia, non sono metodologie efficienti per la sintesi di policatenani a catena lunga. Una sfida chiave nella sintesi dei policatenani sono le condizioni di reazione contrastanti per l’accesso a macrocicli (che richiedono bassa concentrazione) e polimeri (che richiedono alta concentrazione). Takata, Kihara e colleghi hanno proposto una soluzione elegante a questo conflitto convertendo un poli(catenano) a ponte in policatenano (20), ma ad oggi non vi è alcuna relazione di un policatenano sintetizzato attraverso questa rotta.

La strategia sintetica verso i policatenani qui delineata e illustrata in Fig. 1D, mira a disaccoppiare i requisiti sintetici in conflitto sopra menzionati attraverso il preassemblaggio di un polimero metallosupramolecolare (MSP) come modello, seguito da un’efficiente reazione di chiusura ad anello e demetallazione del policatenano metallizzato risultante. Pionieristico da Sauvage e collaboratori, il coordinamento metallo-ligando è stato uno dei percorsi sintetici di maggior successo verso MIMs (1, 2, 8, 9). Il ligando terdentato, 2,6-bis(N-alchil-benzimidazolil)piridina (Bip) (Fig. 1E), che lega gli ioni del metallo di transizione quali Zn2 + o Fe2 + in un 2:1 stechiometria, è stato scelto perché è già stato dimostrato di accedere a un’ampia selezione di polimeri metallosupramolecolari funzionali che presentano proprietà di photo-healing (30), stimulates-responsive (31), shape-memory (32) e actuation (33). Inoltre, abbiamo recentemente dimostrato che è possibile accedere ai catenani tramite una reazione di chiusura dell’anello quasi quantitativa di uno pseudorotaxano assemblato da un macrociclo contenente Bip monotopico, Zn2+ e un filo ditopico (1 con R = esile) in un rapporto di 2:2:1 (9).

Sulla base di questi studi, abbiamo preso di mira l’assemblaggio MSP del macrociclo ditopico Bip a 68 membri progettato razionalmente con la molecola di filettatura 1 e la successiva chiusura dell’anello di 1 (Fig. 1E). Dopo l’aggiunta di 2 equivalenti di Zn2 + alla miscela 1:1 di 1 e 2, i componenti si sono autoassemblati nel copolimero supramolecolare alternato . L’alternanza è una conseguenza del principio di massima occupazione del sito (34): due parti Bip nello stesso (o diverso) macrociclo 2 non possono legare lo stesso ion Zn2+; pertanto, ogni unità Bip in 2 deve formare un Bip 2:1:Complesso ionico Zn2+ con unità Bip in 1 per massimizzare il guadagno entalpico (fig. S2). La formazione di un MSP è stata confermata dalla spettroscopia ordinata per diffusione (DOSY) (fig. S3). La grande costante di legame (> 106 M–1 in acetonitrile) tra Bip e Zn2+ (35) mantiene l’MSP nelle condizioni relativamente diluite necessarie per favorire la reazione di chiusura dell’anello (anche se gli MSP ciclici dovrebbero essere favoriti in condizioni molto diluite). La reazione di metatesi di chiusura dell’anello ha mostrato un’eccellente conversione delle olefine a 2,5 mm (rispetto a 1) (fig. S4), e la miscela di reazione risultante potrebbe essere facilmente demetallata con idrossido di tetrabutilammonio. La figura 2A mostra un confronto tra lo spettro parziale 1H NMR del prodotto grezzo demetallato (concentrandosi sui protoni piridilici HA/a) con tutti i possibili sottoprodotti non interconnessi 4 (macrociclo ottenuto da 1), 2 e 5 . La maggior parte dei picchi HA/a del prodotto grezzo mostra uno spostamento chimico upfield che non corrisponde a nessuna delle possibili specie non interbloccate, ma è in buon accordo con gli spostamenti chimici osservati negli studi precedenti sui catenani contenenti Pif (9), coerenti con la formazione di strutture interbloccate. Il prodotto grezzo contiene anche una piccola percentuale (~20%) di molecole non interloccate che sono state assegnate a 2 non reagite e polimero/oligomero 5 sulla base del loro spostamento chimico 1H NMR.

Fig. 2 NMR caratterizzazione e purificazione dei policatenani.

(A) Spettro parziale 1H NMR (600 MHz, CDCl3) della regione HA/a del policatenano purificato rispetto agli spettri dei singoli anelli 2 e 4 e al sottoprodotto del polimero ADMET 5 (per la struttura, vedere fig. S5). La regione gialla evidenzia i protoni corrispondenti alle porzioni Bip interbloccate. B) Purificazione priva di cromatografia dei policatenani mediante metallazione ed estrazione selettiva. C) Spettro parziale di NOESY 1H-1H della soluzione di policatenano purificato (1% p/v in CDCl3) misurato a -17°C. Alcuni picchi NOE croce tra i 2 e 4 parti sono evidenziati. Le lettere rosse e blu sono come in Fig. 1E.Per l’intero spettro, vedere fig. S13.

Per rimuovere facilmente il sottoprodotto non interloccato, abbiamo sviluppato una procedura (Fig. 2B) che ha approfittato della struttura interbloccata preorganizzata del policatenano mirato. Secondo l’effetto legante interbloccato (cioè, l’effetto catenand) (8, 36), gli ioni metallici si legano preferenzialmente con ligandi meccanicamente interbloccati piuttosto che con ligandi liberi non interbloccati a causa del ridotto costo entropico di riunire i ligandi. 1H Studi di titolazione NMR (fig. S5B) ha confermato che dopo l’aggiunta di Zn2+ al prodotto grezzo, le specie associate ai protoni piridilici spostati verso l’alto scompaiono quando ~70% delle parti Bip sono metallate, coerente con la rimetallazione selettiva delle specie interbloccate. I sottoprodotti non interconnessi sono rimasti immetallati, consentendo loro di essere facilmente separati mediante estrazione solido-liquido (con 2: 1 v/v cloroformio / esano), lasciando il puro policatenano 3 come solido in resa ~75%. Questa fase di purificazione rimuove anche alcuni prodotti interbloccati oligomerici, principalmente a causa del minor numero di siti di legame metallo-ioni interbloccati che li rende statisticamente meno propensi a legare abbastanza ioni metallici per alterare la loro solubilità.

Tutti i picchi NMR del prodotto interbloccato 3 sono stati assegnati sulla base di studi NMR bidimensionali (fig. S6 a S8). La spettroscopia conferma che 3 contiene ~50% del macrociclo 2 e ~50% di un componente (o componenti) derivato da 1 (sulla base dell’integrazione NMR 1H) (fig. S10), che è coerente con la formazione della struttura polycatenane alternata mirata. La struttura interbloccata è ulteriormente confermata dalla spettroscopia a effetto Overhauser nucleare (NOESY) (Fig. 2 QUATER). Abbassando la temperatura (-17°C) per diminuire i movimenti dell’anello nel polycatenane dà luogo a numerosi picchi incrociati NOE in soluzioni diluite (1% p/v) di 3. Di particolare interesse sono i picchi incrociati intercomponenti NOE tra protoni nei diversi macrocicli (2 e 4). In 3 sono stati osservati almeno quattro picchi incrociati NOE intercomponenti, tra cui, ad esempio, uno tra HL di 4 e Hn/o di 2 (Fig. 2C) ma non nelle miscele semplici di 2 e 4 o 2 e 5 (fig. S11 e S12). Dato che i segnali NOE normalmente richiedono che i protoni siano<a 0,5 nm di distanza, questi dati suggeriscono fortemente che i macrocicli 2 e 4 devono essere interbloccati e che 3 è un policatenano.

Dopo aver confermato la struttura interbloccata, abbiamo successivamente utilizzato la cromatografia a permeazione di gel accoppiata a un rilevatore di dispersione della luce multiangolo (GPC-MALS) per misurare la massa molare assoluta dei polimeri (37). Il cromatogramma GPC di 3 (Fig. 3A, linea nera) mostra un picco ampio coerente con una massa molare media Mn = 21,4 kg / mol e dispersione Đ = 1,44 (Tabella 1). Ad ogni volume di eluizione, la massa molare assoluta è mostrata come la linea tratteggiata rossa, indicando che la distribuzione del prodotto 3 contiene specie con massa molare fino a ~200 kg / mol, che corrisponde a un policatenano. La deconvoluzione dell’ampio picco nel cromatogramma produce tre subpeaks (I-III), il che implica che il prodotto policatenano può contenere tre diverse architetture. Le masse molari assolute misurate (da MALS) di questi tre picchi sono circa 20-200, 10-40 e 6-10 kg/mol, che corrisponderebbero rispettivamente a policatenani, policatenani e policatenani. La percentuale relativa dei tre picchi è stimata (sulla base delle aree di picco) rispettivamente al 28, 61 e 11%.

Fig. 3 Massa molare e caratterizzazione architettonica dei policatenani.

(A) Cromatogramma GPC, misurazione della massa molare assoluta di MALS e deconvoluzione di picco di 3. unità arbitrarie. B) Architetture proposte corrispondenti ai tre picchi deconvoluti, al meccanismo di formazione e al corrispondente numero medio di estremità della catena (NC). RCM, metatesi di chiusura dell’anello. C) Cromatogrammi GPC di frazioni policatenane frazionate (da 3a a 3d, intensità normalizzata dalla loro percentuale di massa relativa) rispetto a quella del policatenano non frazionato 3. Vengono anche mostrati gli intervalli di volume di eluizione dei tre picchi deconvoluti (da I a III). (D) Spettri MALDI-TOF della frazione polycatenane 3b. I picchi inferiori (contrassegnati da asterischi) provengono da ioni molecolari carichi moltiplicati. m / z, rapporto massa / carica. E) Spettri parziali di 1H NMR (500 MHz, CDCl3) che mostrano la regione HA/a compresa tra 3a e 3d rispetto a quella di due comandi: catenano (6) e policatenano ciclico (7). Le quattro regioni (α, β, γ, δ) sono definite. I picchi di estremità della catena e i picchi specifici per i catenani ciclici sono evidenziati rispettivamente in giallo e verde.

Tabella 1 massa Molare e architettura di 3 e 3a 3d.

Mn, numero di massa molare media; DP, grado di polimerizzazione; ©, dispersità; NC, il numero medio di estremità della catena; NCEx, il numero medio di estremità della catena per aciclici polycatenanes.

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Una possibile spiegazione per i picchi da I a III è la formazione di architetture ramificate, lineari e cicliche, rispettivamente, come illustrato in Fig. 3B. Oltre ai policatenani lineari mirati, è certamente possibile che si verifichino reazioni interchain (dimerizzazione e oligomerizzazione di 4), che portano a policatenani ramificati di massa molare superiore. Inoltre, è anche possibile che una percentuale degli MSP siano strutture cicliche di massa inferiore molare, che a loro volta porterebbero a policatenani ciclici. Una prova indicativa di policatenani ciclici è il picco di transizione osservato tra i picchi II e III nella misurazione della massa molare assoluta (Fig. 3A, a ~9.2 ml). Se il picco III corrisponde a una geometria ciclica, ci aspetteremmo che queste strutture più compatte coelutino con polimeri lineari di massa molare inferiore (38).

Per caratterizzare più pienamente la miscela di polycatenane, abbiamo eseguito GPC preparativo su 3, ottenendo quattro frazioni da 3a a 3d. 1H Gli studi NMR hanno confermato che tutte e quattro le frazioni contengono ~50% di macrociclo 2, coerenti con il fatto che sono tutti policatenani (fig. S14). GPC-MALS di ogni frazione ha confermato la separazione basata sulle dimensioni di successo (Fig. 3C e fig. S15), e le quattro frazioni hanno mostrato una massa molare decrescente (Tabella 1) con Đ relativamente stretto (da 1,11 a 1,18) (Tabella 1). Sulla base dei tempi di eluizione, le frazioni 3a e 3b corrispondono principalmente al picco I, 3c corrisponde prevalentemente al picco II e 3d contiene una miscela di picchi II e III. La spettrometria di massa MALDI-TOF (Matrix–assisted laser desorption/ionization-time-of-flight) ha confermato la presenza di polimeri ad alta massa molare con picchi di ioni molecolari corrispondenti fino a 3D) e fino a un policatenano per 3c (fig. S16).

Un modo per caratterizzare le architetture (ramificate, lineari o cicliche) dei policatenani nelle frazioni da 3a a 3d è quello di chiarire il numero medio di estremità della catena (NC) dei polimeri in ogni frazione. Per definizione, NC è uguale a 0 per i policatenani ciclici, 2 per i policatenani lineari e ≥4 per i policatenani ramificati (Fig. 3 TER). Con la massa molare assoluta di ogni frazione disponibile da MALS, i loro gradi di polimerizzazione (DPs, che definiamo qui come equivalente a n) possono essere facilmente calcolati da MMALS/1544 (risultati elencati nella Tabella 1), dove MMALS è la massa molare da GPC-MALS e 1544 g/mol è la massa molare media di 2 e 4 (assumendo un rapporto 1:1 nel polimero). È quindi possibile calcolare NC combinando questi dati con NMR chain-end analysis (eq. S1). La chiave per tali calcoli è trovare picchi diagnostici di fine catena di policatenani negli spettri NMR 1H. Per fare ciò, un catenano 6 (prevalentemente) è stato mirato e sintetizzato reagendo 1 in presenza di due equivalenti di ioni 2 e Zn2+ (fig. S17), e il suo spettro NMR è stato confrontato con 3a a 3d in Fig. 3E. I tre gruppi di picchi per HA / a di 6 con ~ 1: 1: 1 aree di picco (fig. S17) sono state osservate e definite come regioni α (8,235-8,270 ppm), β (8,195-8,235 ppm) e γ (8,150-8,195 ppm), rispettivamente. L’intensità inferiore della regione α in 3a a 3d, rispetto all’intensità in 6, insieme al tempo di rilassamento NMR più lungo dei protoni nella regione α (fig. S18), conferma che questa regione corrisponde all’estremità della catena (vedi materiali supplementari). Con questa assegnazione, il numero medio di estremità della catena, NC, può essere calcolato da Eq. 1Immagine incorporata(1)dove IA/a è l’integrazione totale di picco di HA/a e Ia è l’integrazione di picco di catena di HA/a (cioè, regione α; vedere eqs. S1 a S3 per i dettagli di derivazione). I risultati dei calcoli NC per 3 e 3a a 3d sono riassunti nella tabella 1. Le frazioni 3a (NC = 8.7) e 3b (NC = 4.7) sono prevalentemente ramificate, mentre 3c (NC = 1.7) e 3d (NC = 1.2) sembrano contenere diverse quantità di policatenani ciclici che risultano in NC < 2. Per identificare la proporzione di policatenani ciclici in queste ultime frazioni, sono stati intrapresi ulteriori studi per mirare specificamente a un policatenano ciclico 7. Ciò è stato ottenuto eseguendo la formazione di MSP (usando Fe2+ come ion metallico) e la reazione di chiusura dell’anello a concentrazioni molto più basse (vedere materiali supplementari e fig. S19). Confronto della regione HA / a negli spettri NMR 1H (Fig. 3E) delle frazioni contenenti policatenano cicliche (3c, 3d e 7) mostra un ulteriore spostamento verso l’alto da 8,06 a 8,15 ppm (Fig. 3E, regione verde), che è definita come regione δ. Al contrario, i campioni contenenti policatenano aciclici (3a, 3b e 6) non presentano picchi in questa regione. Pertanto, è ragionevole concludere che la regione δ è specifica per i policatenani ciclici. Rispetto ai policatenani aciclici (3a e 3b) o al catenano 6, sembra che ~50% dei picchi A/a del policatenano ciclico 7 siano spostati più in alto. Una possibile spiegazione è che l’architettura ciclica limita la mobilità conformazionale, risultando in una molecola più compatta (fig. S19E) e consentendo ulteriori effetti di schermatura dalle parti aromatiche vicine. Dato che l’integrale dell’HA / a in 7 mostra che ~50% dei suoi protoni HA/a sono presenti nella regione δ (fig. S20), è possibile determinare il numero medio di estremità della catena per i policatenani aciclici (NCEx) presenti in ciascuna frazione mediante Eq. 2 (per la derivazione, vedere SQA. S3 a S5)Immagine incorporata (2)dove Iδ è l’integrazione di picco della regione δ negli spettri NMR (Fig. 3 E). I risultati di questi calcoli mostrano che sia 3c che 3d hanno NCEx ≈ 2 (con NC < 2), coerente con il fatto che entrambi contengono una miscela di policatenani lineari e ciclici con la percentuale di policatenani ciclici in 3c e 3d che è ~15 e ~34%, rispettivamente (calcolata tramite eq. S6). La tabella 1 riassume la massa molare e i dati architettonici di 3 e le quattro frazioni da 3a a 3d. La frazione con la massa molare più alta (3a) è assegnata a policatenani altamente ramificati (sulla base dell’analisi MALS) (fig. S15A) con un DP medio = 55. La frazione 3b è costituita da un grado inferiore di policatenani ramificati con un DP medio = 25. Le frazioni 3c e 3d contengono principalmente policatenani lineari (con alcuni ciclici) fino a 27 (DP medio = 11) (fig. S15C) e 20 (DP medio = 8) (fig. S15D) anelli interbloccati, rispettivamente. Sulla base dei dati delle quattro frazioni, possiamo stimare che la percentuale complessiva di policatenani ramificati, lineari e ciclici sia ~24, ~60 e ~16%, rispettivamente, che corrisponde bene con il risultato della deconvoluzione del picco GPC (28, 61, 11%, rispettivamente) (Fig. 3 BIS). Presi insieme questi dati sono coerenti con il polycatenane 3 essendo una miscela di polycatenanes ramificati, polycatenanes lineari, e polycatenanes ciclici, in circa i rapporti di cui sopra.

È noto che i catenani preparati tramite modelli metallici mostrano un comportamento metallo-reattivo (36). Come tale, le proprietà di risposta agli stimoli metallici di questi policatenani sono state studiate sia in soluzione che in massa, misurando il raggio idrodinamico Rh (Fig. 4A e fig. S21) e la temperatura di transizione vetrosa (Tg) (Fig. 4B e fig. S22), rispettivamente. L’aggiunta di ioni Zn2+ nei policatenani dovrebbe bloccare i moti conformazionali degli anelli, inducendo così un passaggio da un polimero altamente flessibile a un polimero semirigido, dove la flessibilità proviene principalmente dalle porzioni di tetraetilenglicole (TEG) (Fig. 4 BIS). Per policatenani prevalentemente lineari (3c, DP medio = 11), l’aggiunta di Zn2+ mostra un sostanziale (~70%) aumento di Rh da 3,9 a 6,6 nm (Fig. 4 BIS). Questo risultato concorda bene con le simulazioni di dinamica molecolare di tutti gli atomi di policatenano lineare metallizzato (vedi materiali supplementari). Le molecole sono state simulate con il campo di forza all-atom OPLS (optimized potentials for liquid simulations) (39) con 1,1,2,2-tetracloroetano come solvente e le proprietà del polimero sono state sondate utilizzando un esperimento di estensione della forza. Per modellare un policatenano sotto tensione, un catenano era collegato a se stesso attraverso condizioni al contorno periodiche (Fig. 4C); l’estensione è stata applicata attraverso la lunghezza del sistema (box), che è sistematicamente variata; e la tensione corrispondente deriva dal tensore di pressione (eq. S9). Il comportamento dell’estensione della forza è ben descritto dal modello EWLC (Extensible worm-like chain) (40), come mostrato in Fig. 4C. Secondo questa interpretazione, il contributo di ciascun macrociclo alla lunghezza del contorno, l = 2,40 ± 0,03 nm, è notevolmente inferiore alla lunghezza di persistenza, lp = 7,46 ± 2.88 nm, che è caratteristico di un polimero semirigido. Ancora una volta, questa flessibilità può essere attribuita principalmente ai segmenti TEG del macrociclo 2, come evidenziato da maggiori fluttuazioni nelle distanze intermetali per 2 contro 4 (fig. S28 e S29). Sulla base di simulazioni di un catenano metallizzato non periodico, Rh è ~34% della distanza end-to-end (Ree). Per un policatenano metallizzato di DP arbitrario, Ree può essere calcolato utilizzando le statistiche a catena worm-like (eq. S15) e i risultati delle simulazioni forza-estensione. L’Rh per un policatenano medio nella frazione 3c è quindi stimato a 6,89 ± 1.38 nm, in buon accordo con i risultati DLS (6,6 nm), sostenendo ulteriormente la conclusione che la frazione 3c è principalmente policatenano lineare (vedere materiali supplementari). La struttura simulata di un policatenano lineare metallizzato sotto tensione ~15 pN è illustrata in Fig. 4D, che mostra un segmento di 12 anelli interbloccati.

Fig. 4 Studi sperimentali e simulazione dei policatenani metallizzati.

(A) Illustrazione del cambiamento conformazionale metallo-reattivo di un policatenano lineare tra strutture flessibili e semirigide, come indicato dal cambiamento del raggio idrodinamico (Rh) (fig. S21). La flessibilità del policatenano metallizzato è dovuta principalmente alla TEG parte di macrocycle 2. B) Dati DSC per i policatenani lineari (demetallati e metallizzati) confrontati con i dati per il polimero ADMET 5 (Tg calcolato dal punto medio di mezza altezza). “Exo Up” indica che la direzione del flusso di calore esotermico è aumentata. C)Curva di estensione della forza simulata prodotta variando la lunghezza della scatola di un catenano lineare metallizzato collegato a se stesso attraverso condizioni al contorno periodiche nella direzione z. I dati delle simulazioni (cerchi verdi, dimensione del punto dati include errore) sono adatti al modello EWLC (Extensible worm-like Chain) (trattini neri). (D) Visualizzazione di un policatenano lineare metallizzato (che mostra un segmento di 12 anelli interbloccati) sotto una tensione di ~15 pN da simulazioni di dinamica molecolare di tutti gli atomi in solvente 1,1,2,2-tetracloroetano (atomi di solvente e idrogeno omessi per chiarezza).

Simile al polycatenano lineare, la metallazione del polycatenano ramificato (3b, DP medio = 24,9) con Zn2 + mostra un aumento di ~ 50% di Rh alla metallazione (da 5,0 a 7,6 nm) (fig. S21B), presumibilmente come conseguenza di un’estensione delle sue braccia. La metallizzazione del policatenano ciclico 7 (DP medio = 6) mostra solo un cambiamento relativamente piccolo di Rh (~10%, da 2,4 a 2,6 nm) (fig. S21C), che è coerente con la sua architettura ciclica che limita l’estensione della catena. Nella massa, i valori Tg di policatenano con architetture prevalentemente lineari (3c) e ramificate (3b) sono stati trovati rispettivamente a 97° e 104°C, rispetto a 137°C per 5 (il polimero ADMET lineare di 1). In generale, i polimeri con maggiore libertà di movimento segmentale mostrano valori Tg più bassi, il che è coerente con i moti molecolari conformazionali più facili attesi in tutte le dorsali del policatenano. La metallizzazione con Zn2 + blocca questi movimenti conformazionali e riduce sostanzialmente la flessibilità del policatenano; pertanto, non si osservano valori Tg al riscaldamento fino a 160°C per campioni sia lineari che ramificati (Fig. 4B e fig. S22).

In conclusione, la sintesi di successo dei policatenani della catena principale tramite una strategia basata su modelli MSP è stata raggiunta in un rendimento di ~75%. La miscela di prodotto isolata comprende policatenani lineari, policatenani ramificati e policatenani ciclici. Questa strategia sintetica apre le porte alla progettazione e alla sintesi di una varietà di nuovi polimeri interbloccati.

Materiali supplementari

www.scienza.org / contenuto/358/6369/1434/suppl / DC1

Materiali e metodi

Testo supplementare

Figg. Da S1 a S29

Tabelle da S1 a S3

Riferimenti (41-93)

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  • Ringraziamenti: Ringraziamo K. Herbert per l’aiuto con la progettazione di figure e suggerimenti sull’analisi dei dati DSC, P. Agrawal per le misurazioni DOSY e F. Etheridge per utili discussioni. Un ringraziamento speciale a S. Shang per la foto del suo braccialetto per Fig. 1A e R. Rauscher per l’assistenza con diverse figure. Questo lavoro è finanziato dalla NSF sotto sovvenzioni CHE 1700847, CHE 1402849, e CHE 1151423 e dall’Università di Chicago Materials Research Science and Engineering Center, che è finanziato dalla NSF con il numero di premio DMR-1420709. Ulteriori dati sono disponibili nei materiali supplementari.

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