Poli [n]catenani: sinteza lanțurilor interconectate moleculare

un pic de zinc face ca inelele să se lege

deși firele de polimer sunt adesea numite informal lanțuri, topologiile moleculare care seamănă de fapt cu lanțurile macroscopice extinse s-au dovedit surprinzător de provocatoare. Majoritatea abordărilor s-au stabilit pentru legarea perechilor de inele interconectate în mijlocul segmentelor distanțiere. Wu și colab. acum raportați sinteza cu succes a policatenanilor în care zeci de inele sunt interconectate consecutiv. Cheia a fost folosirea ionilor de zinc pentru a modela filetarea unui precursor al macrociclului prin flancarea macrociclurilor preformate, după care cataliza metatezei a închis primul inel, iar metalul a putut fi spălat.

știință, această problemă p. 1434

rezumat

ca versiune macromoleculară a moleculelor interconectate mecanic, polimerii Interconectați mecanic sunt candidați promițători pentru crearea de mașini moleculare sofisticate și materiale moi inteligente. Policatenanii, unde lanțurile moleculare constau exclusiv din macrocicluri interconectate, conțin una dintre cele mai mari concentrații de legături topologice. Raportăm, aici, o abordare sintetică față de această arhitectură polimerică distinctivă în randament ridicat (~75%) Prin închiderea eficientă a inelului polimerilor metalosupramoleculari proiectați rațional. Dispersia luminii, spectrometrică de masă și rezonanță magnetică nucleară caracterizarea probelor fracționate susține atribuirea produsului cu masă molară ridicată (număr-masa molară medie ~21.4 kilograme pe mol) la un amestec de policatenani liniari, policatenani ramificați și policatenani ciclici. Raza hidrodinamică crescută (în soluție) și temperatura de tranziție a sticlei (în materiale în vrac) au fost observate la metalizarea cu Zn2+.

moleculele interconectate mecanic (MIMs), cum ar fi catenanii, rotaxanii și nodurile, atrag atenția din ce în ce mai mult datorită structurilor lor topologice estetice (1-3) și a potențialului lor în aplicații care variază de la mașini moleculare (4) la cataliză (5), livrare de medicamente (6) și suprafețe comutabile (7). O gamă impresionantă de MIMs cu molecule mici a fost sintetizată cu succes, în primul rând prin orientarea corectă a componentelor precursoare printr-un eveniment de templare necovalent care folosește, de exemplu, metal-ligand (1, 2, 8-10), donator-acceptor (11) sau legături de hidrogen (12) interacțiuni sau efectul hidrofob (3), urmat de o etapă de fixare covalentă. MIMs cu masă molară ridicată sau polimeri cu blocare mecanică (MIPs), cum ar fi polirotaxani și policatenani, oferă acces la proprietăți utile pentru platformele funcționale de materiale moi (13). Poate că cel mai notabil exemplu până în prezent este oferit de gelurile cu inel glisant (un subset de polirotaxani), unde inelele interconectate mecanic acționează ca site-uri mobile de reticulare. Aceste materiale prezintă caracteristici anti-zgârieturi și vindecare și au fost aplicate cu succes ca acoperiri anti-zgârieturi pentru telefoane mobile și automobile (14). După cum subliniază acest exemplu, elementele de mobilitate neobișnuite din MIPs (de ex., barieră cu energie redusă pentru alunecarea inelului de-a lungul unui fir sau rotirea inelelor) le fac o clasă specializată de polimeri, cu potențialul de a afișa o matrice de proprietăți foarte neobișnuită.

Catenanii constau din n inele interconectate consecutiv. Policatenanii sunt lanțuri polimerice compuse în întregime din inele interblocate și pot fi considerate ca catenani pentru care n este mare și, în general, dispersie > 1. Acești polimeri interblocați conțin o concentrație foarte mare de legături topologice și pot fi considerați echivalentul molecular al unui lanț macroscopic (Fig. 1A). Astfel de structuri își păstrează flexibilitatea indiferent de rigiditatea componentelor inelare datorită mobilității conformaționale a structurilor lor topologice, permițând accesul atât la rezistență ridicată, cât și la flexibilitate excelentă. Figura 1b prezintă principalele mobilități conformaționale (mișcări de rotație, alungire și balansare) din unitatea de repetare a coloanei vertebrale a unui astfel de lanț pentru dimensiuni adecvate ale inelului (13). Studiile teoretice au sugerat că policatenanii cu astfel de elemente de mobilitate ar putea prezenta un modul de pierdere mare și o energie de activare scăzută pentru flux și ar putea acționa ca materiale superioare de amortizare a energiei și/sau elastomeri cu rezistență excelentă și proprietăți mecanice receptive la stimuli (13, 15, 16).

Fig. 1 Structura și mobilitatea conformațională a și abordarea sintetică a policatenanilor.Reprezentarea schematică a arhitecturii policatenane, care poate fi considerată echivalentul molecular al unui lanț metalic robust și flexibil. (B) mișcări conformaționale comune observate la catenani. (C) Compararea mobilităților de rotație a inelului într-un poli (catenan) față de un policatenan. (D) sinteza țintită a policatenanului 3 prin asamblarea 1 și 2 într-un polimer metalosupramolecular (MSP), urmată de închiderea inelară pentru a produce un policatenat (adică policatenan metalizat) și demetalare. (E) Structura 1, 2 și 4 (produs închis cu inel de 1). Câțiva protoni cheie sunt etichetați cu majuscule albastre în 4 și litere mici roșii în 2. Cutia evidențiază structura fracțiunii ligandului Bip.

sinteza policatenanilor reprezintă însă o provocare majoră. Sinteza confirmată a acestor topologii polimerice cu masă molară ridicată nu a fost încă raportată. Majoritatea lucrărilor anterioare asupra policatenanilor s-au concentrat pe poli(catenan)s (accesat în general prin polimerizarea unui catenan funcționalizat bis) (15, 17-23), poli – și oligocatenani cu arhitecturi definite neclar (24, 25) și catenani polimerici (adică doi polimeri ciclici Interconectați) (26). Aceste materiale au oferit informații despre proprietățile potențial utile ale MIPs. De exemplu, poli(catenan)s au arătat flexibilitate conformațională de-a lungul lanțului polimeric în soluție (indicată printr-o lungime a segmentului Kuhn care este mai mică decât lungimea părții sale catenane) (15) și mișcarea dependentă de temperatură a inelelor în soluție (18) sau în materiale în vrac (22). Cu toate acestea, datorită unităților de legătură covalente prezente în coloana vertebrală poli(catenan), gradul de rotație al componentelor inelare în părțile catenane este limitat (Fig. 1C). Policatenanii, pe de altă parte, au inele legate exclusiv prin legături topologice, permițând mobilitatea completă de rotație a fiecărui inel (cu o dimensiune suficientă a inelului) și, ca atare, ar trebui să prezinte o flexibilitate conformațională mai mare. Una dintre cele mai reușite încercări de a accesa oligocatenanii cu cel puțin șapte inele interconectate a fost realizată recent prin polimerizarea cu deschidere a inelului metalo-catenanilor de către Meijer, Di Stefano și colegii de muncă (25). Cu toate acestea, arhitectura specifică a produsului nu a putut fi clar definită. Până în prezent, cel mai lung lanț molecular interconectat cu structură clar definită este un catenan liniar (olympiadane) raportat de Stoddart și colegii (27) și, mai recent, de Iwamoto și colab. (28), ambele prin abordări treptate. Stoddart și colegii au folosit, de asemenea, o strategie similară pentru a accesa un catenan ramificat (29). Cu toate acestea, aceste strategii pas cu pas nu sunt metodologii eficiente pentru sinteza policatenanilor cu lanț lung. O provocare cheie în sinteza policatenanilor este condițiile de reacție conflictuale pentru accesarea macrociclurilor (care necesită concentrație scăzută) și a polimerilor (care necesită concentrație ridicată). Takata, Kihara și colegii de muncă au propus o soluție elegantă la acest conflict prin transformarea unui poli de punte (catenan) în policatenan (20), dar până în prezent nu există niciun raport despre un policatenan sintetizat pe această cale.

strategia sintetică față de policatenani prezentată aici și ilustrată în Fig. 1D, urmărește decuplarea cerințelor sintetice conflictuale menționate mai sus prin preasamblarea unui polimer metalosupramolecular (MSP) ca șablon, urmată de o reacție eficientă de închidere a inelului și demetalarea policatenanului metalizat rezultat. Pionierat de Sauvage și colegii săi, coordonarea metal-ligand a fost una dintre cele mai de succes rute sintetice către MIMs (1, 2, 8, 9). Ligandul terdentat, 2,6-bis (N-alchil-benzimidazolil)piridină (Bip) (Fig. 1E), care leagă ionii metalelor de tranziție, cum ar fi Zn2 + sau Fe2 + într-un 2:1 stoichiometria, a fost aleasă deoarece s-a demonstrat deja că are acces la o gamă largă de polimeri metalosupramoleculari funcționali care prezintă foto-vindecare (30), stimuli-receptivi (31), memorie de formă (32) și proprietăți de acționare (33). Mai mult, am arătat recent că catenanii pot fi accesați printr-o reacție de închidere a inelului aproape cantitativă a unui pseudorotaxan asamblat dintr-un macrociclu monotopic care conține Bip, Zn2+ și un fir ditopic (1 cu R = hexil) într-un raport de 2:2:1 (9).

pornind de la aceste studii, am vizat asamblarea MSP a macrociclului 2 ditopic bip cu 68 de membri proiectat rațional cu molecula de filetare 1 și închiderea ulterioară a inelului 1 (Fig. 1E). La adăugarea a 2 echivalenți de Zn2 + la amestecul 1: 1 de 1 și 2, componentele s-au auto-asamblat în copolimerul supramolecular alternativ . Alternanța este o consecință a principiului ocupării maxime a sitului (34): două părți Bip în același macrociclu 2 (sau diferit) nu pot lega același Ion Zn2+; prin urmare, fiecare unitate Bip din 2 trebuie să formeze un Bip 2:1:Complex ionic Zn2 + cu o unitate Bip în 1 pentru a maximiza câștigul entalpic (fig. S2). Formarea unui MSP a fost confirmată prin spectroscopie ordonată prin difuzie (DOSY) (fig. S3). Constanta mare de legare (>106 m–1 în acetonitril) între Bip și Zn2+ (35) menține MSP în condițiile relativ diluate necesare pentru a favoriza reacția de închidere a inelului (deși MSP ciclice ar trebui favorizate în condiții foarte diluate). Reacția de metateză de închidere a inelului a arătat o conversie excelentă a olefinei la 2,5 mM (față de 1) (fig. S4), iar amestecul de reacție rezultat ar putea fi ușor demetalat cu hidroxid de tetrabutilamoniu. Figura 2A prezintă o comparație a spectrului 1H RMN parțial al produsului brut demetalat (concentrându-se pe protonii piridilici HA/a) cu toate subprodusele posibile neinterlocate 4 (macrociclu obținut din 1), 2 și 5 . Majoritatea vârfurilor HA / a ale produsului brut prezintă o deplasare chimică în câmp ascendent care nu corespunde niciunei specii posibile neinterlocate, dar este în concordanță cu deplasările chimice observate în studiile anterioare privind catenanii care conțin Bip (9), în concordanță cu formarea structurilor interconectate. Produsul brut conține, de asemenea, un procent mic (~20%) de molecule neinterlocate care au fost atribuite 2 nereacționate și polimer/oligomer 5 pe baza deplasării lor chimice 1H RMN.

Fig. 2 caracterizarea RMN și purificarea policatenanilor.

(A) spectrul parțial 1H RMN (600 MHz, CDCl3) al regiunii HA/a a policatenanului purificat în comparație cu spectrele inelelor individuale 2 și 4 și subprodusul ADMET polimer 5 (pentru structură, vezi fig. S5). Regiunea galbenă evidențiază protonii corespunzători fragmentelor Bip interconectate. (B) purificarea fără cromatografie a policatenanilor prin metalizare și extracție selectivă. (C) spectrul parțial 1h-1h NOESY al soluției de policatenan purificat (1% g/v în CDCl3) măsurat la -17 C. Unele vârfuri de cruce NOE între 2 și 4 moieties sunt evidențiate. Literele roșii și albastre sunt ca în Fig. 1E. pentru întregul spectru, vezi fig. S13.

pentru a elimina facil produsul secundar neinterlocuit, am dezvoltat o procedură (Fig. 2B) care a profitat de structura interblocată preorganizată a policatenanului vizat. În funcție de efectul ligand interblocat (adică., efectul catenand) (8, 36), ionii metalici se leagă preferențial cu liganzi Interconectați mecanic, mai degrabă decât cu liganzi liberi neinterlocuiți, datorită costului entropic redus al reunirii liganzilor. Studii de titrare RMN 1H (fig. S5B) a confirmat că la adăugarea de Zn2+ la produsul brut, speciile asociate cu protonii piridilici deplasați în sus dispar atunci când ~70% din fragmentele Bip sunt metalizate, în concordanță cu remetalizarea selectivă a speciilor interconectate. Produsele secundare neinterlocate au rămas nemetalate, permițându-le să fie ușor separate prin extracție solid-lichid (cu 2:1 V/V cloroform/hexan), lăsând policatenanul pur 3 ca solid în randament de ~75%. Această etapă de purificare elimină, de asemenea, unele produse oligomerice interconectate, în primul rând datorită numărului mai mic de situri de legare a ionilor metalici Interconectați, ceea ce le face statistic mai puțin probabil să lege suficient ioni metalici pentru a-și modifica solubilitatea.

toate vârfurile RMN ale produsului interconectat 3 au fost atribuite pe baza studiilor RMN bidimensionale (fig. S6 până la S8). Spectroscopia confirmă faptul că 3 conține ~50% din macrociclul 2 și ~50% dintr-o componentă (sau componente) derivată din 1 (pe baza integrării 1H RMN) (fig. S10), care este în concordanță cu formarea structurii policatenane alternative vizate. Structura interblocată este confirmată în continuare de spectroscopia efectului nuclear Overhauser (NOESY) (Fig. 2C). Scăderea temperaturii (-17 C) pentru a diminua mișcările inelului în policatenan dă naștere la numeroase vârfuri încrucișate NOE în soluții diluate (1% w/v) de 3. De interes deosebit sunt vârfurile încrucișate NOE intercomponente între protoni în diferitele macrocicluri (2 și 4). Cel puțin patru vârfuri încrucișate INTERCOMPONENTE NOE—inclusiv, de exemplu, unul între HL de 4 și Hn/o de 2-au fost observate în 3 (Fig. 2C), dar nu în amestecurile simple de 2 și 4 sau 2 și 5 (fig. S11 și S12). Având în vedere că semnalele NOE necesită în mod normal ca protonii să fie <la o distanță de 0,5 nm, aceste date sugerează cu tărie că macrociclurile 2 și 4 trebuie să fie interconectate și că 3 este un policatenan.

după confirmarea structurii interblocate, am folosit apoi cromatografia de permeație cu gel cuplată la un detector de împrăștiere a luminii multiangle (GPC-MALS) pentru a măsura masa molară absolută a polimerilor (37). Cromatograma GPC din 3 (Fig. 3A, linia neagră) prezintă un vârf larg în concordanță cu o masă molară medie Mn = 21,4 kg/mol și dispersia XQX = 1,44 (Tabelul 1). La fiecare volum de eluție, masa molară absolută este prezentată ca linia roșie punctată, indicând faptul că distribuția produsului 3 conține specii cu masă molară de până la ~200 kg/mol, ceea ce corespunde unui policatenan. Deconvoluția vârfului larg din cromatogramă produce trei subpuncte (I-III), ceea ce înseamnă că produsul policatenan poate conține trei arhitecturi diferite. Masele molare absolute măsurate (de la MALS) ale acestor trei vârfuri sunt de aproximativ 20 până la 200, 10 până la 40 și 6 până la 10 kg/mol, ceea ce ar corespunde policatenanilor, policatenanilor și, respectiv, policatenanilor. Procentul relativ al celor trei vârfuri este estimat (pe baza zonelor de vârf) la 28, 61 și, respectiv, 11%.

Fig. 3 masa molară și caracterizarea arhitecturii policatenanilor.

(A) cromatograma GPC, măsurarea masei molare absolute MALS și deconvoluția maximă de 3. a. u., unități arbitrare. (B) arhitecturi propuse care corespund celor trei vârfuri deconvolute, mecanismului de formare și numărului mediu corespunzător de capete de lanț (NC). RCM, metateză de închidere a inelului. (C) cromatogramele GPC ale fracțiilor policatenane fracționate (3A până la 3D, intensitate normalizată prin procentul lor relativ de masă) comparativ cu cel al policatenanului nefracționat 3. Sunt prezentate, de asemenea, intervalele de volum de eluție ale celor trei vârfuri deconvolute (I-III). (D) spectrele MALDI-TOF ale fracției policatenane 3B. vârfurile inferioare (marcate cu asteriscuri) provin din ioni moleculari încărcați multiplu. m / z, raport masă / încărcare. (E) spectrele parțiale 1H RMN (500 MHz, CDCl3) care indică regiunea HA/a de la 3A la 3d în comparație cu cea a două grupuri de control: catenan (6) și policatenan ciclic (7). Sunt definite cele patru regiuni (sec. Vârfurile de capăt ale lanțului și vârfurile specifice pentru catenanii ciclici sunt evidențiate în galben și, respectiv, verde.

Tabelul 1 masa molară și arhitectura de la 3 și 3A la 3D.

Mn, număr-masa molară medie; DP, gradul de polimerizare; XV, dispersie; NC, numărul mediu de capete de lanț; NCEx, numărul mediu de capete de lanț pentru policatenani aciclici.

imagine încorporată
vezi acest tabel:

  • View popup
  • View inline

o posibilă explicație pentru vârfurile de la I la III este formarea de arhitecturi ramificate, liniare și, respectiv, ciclice, așa cum este ilustrat în Fig. 3B.în plus față de policatenanii liniari vizați, este cu siguranță posibil să apară reacții inter–lanț (dimerizare și oligomerizare a 4), ceea ce duce la policatenani ramificați cu masă molară mai mare. Mai mult, este de asemenea posibil ca un procent din MSP să fie structuri ciclice cu masă molară mai mică, ceea ce la rândul său ar duce la policatenani ciclici. O dovadă sugestivă pentru policatenanii ciclici este vârful de tranziție observat între vârfurile II și III în măsurarea masei molare absolute (Fig. 3a, la ~9,2 ml). Dacă vârful III corespunde unei geometrii ciclice, ne-am aștepta ca aceste structuri mai compacte să co-elute cu polimeri liniari cu masă molară inferioară (38).

pentru a caracteriza mai complet amestecul de policatenan, am efectuat GPC preparativ pe 3, obținând patru fracții 3a până la 3D. studiile RMN 1H au confirmat că toate cele patru fracții conțin ~50% macrociclu 2, în concordanță cu toate acestea fiind policatenani (fig. S14). GPC-mal-urile fiecărei fracții au confirmat separarea reușită pe bază de mărime (Fig. 3C și fig. S15), iar cele patru fracții au prezentat o masă molară descrescătoare (Tabelul 1) cu o masă relativ îngustă de la 1,11 la 1,18 (Tabelul 1). Pe baza timpilor de eluție, fracțiile 3a și 3b corespund în cea mai mare parte vârfului I, 3c corespunde predominant vârfului II, iar 3D conține un amestec de vârfuri II și III. spectrometria de masă cu laser asistată de matrice desorbție/ionizare-timp de zbor (MALDI–TOF) a confirmat prezența polimerilor cu masă molară înaltă cu vârfuri ionice moleculare corespunzătoare unui policatenan în 3B (Fig. 3D) și până la un policatenan pentru 3c (fig. S16).

o modalitate de a caracteriza arhitecturile (ramificate, liniare sau ciclice) ale policatenanilor în fracțiile 3a până la 3D este de a elucida numărul mediu de capete de lanț (NC) ale polimerilor din fiecare fracție. Prin definiție, NC este egal cu 0 pentru policatenanii ciclici, 2 pentru policatenanii liniari și 4 pentru policatenanii ramificați (Fig. 3B). Cu masa molară absolută a fiecărei fracții disponibile de la MALS, gradele lor de polimerizare (DPs, pe care le definim aici ca fiind echivalente cu n) pot fi ușor calculate prin MMALS/1544 (rezultatele enumerate în tabelul 1), unde MMALS este masa molară din GPC-MALS și 1544 g/mol este masa molară medie de 2 și 4 (presupunând un raport 1:1 în polimer). Este apoi posibil să se calculeze NC prin combinarea acestor date cu analiza lanțului RMN (eq. S1). Cheia pentru astfel de calcule este găsirea vârfurilor de diagnosticare a lanțurilor de policatenani în spectrele 1H RMN. Pentru a face acest lucru, un catenan 6 (predominant) a fost vizat și sintetizat prin reacția 1 în prezența a doi echivalenți ai ionilor 2 și Zn2+ (fig. S17), iar spectrul său RMN a fost comparat cu 3A cu 3D în Fig. 3E. cele trei grupe de vârfuri pentru HA/a de 6 cu ~1:1:1 zone de vârf (fig. S17) au fost observate și definite ca regiuni de la 8.235 la 8.270 ppm, respectiv de la 8.195 la 8.235 ppm și de la 8.150 la 8.195 ppm. Intensitatea mai mică a regiunii de la 3A la 3D, comparativ cu intensitatea de la 6, împreună cu timpul de relaxare RMN mai lung al protonilor din regiunea de la 3A la 3D (fig. S18), confirmă faptul că această regiune corespunde capătului lanțului (a se vedea materialele suplimentare). Cu această atribuire, numărul mediu de capete de lanț, NC, poate fi calculat prin Eq. 1imagine încorporată(1)unde IA/a este integrarea totală a vârfului HA/a și Ia este integrarea vârfului lanțului HA/a (adică, regiunea XV; a se vedea SCM-urile. S1 până la S3 pentru detalii de derivare). Rezultatele calculelor NC pentru 3 și 3A la 3d sunt rezumate în tabelul 1. Fracțiile 3A (NC = 8,7) și 3b (nc = 4,7) sunt predominant ramificate, în timp ce 3C (NC = 1,7) și 3D (nc = 1.2) par să conțină cantități diferite de policatenani ciclici care au ca rezultat NC < 2. Pentru a identifica proporția de policatenani ciclici În aceste din urmă fracții, au fost întreprinse studii suplimentare pentru a viza în mod specific un policatenan ciclic 7. Acest lucru a fost realizat prin efectuarea formării MSP (folosind Fe2+ ca ion metalic) și reacția de închidere a inelului la concentrații mult mai mici (vezi materiale suplimentare și fig. S19). Compararea regiunii HA / a în spectrele RMN 1H (Fig. 3E) a fracțiilor ciclice care conțin policatenan (3c, 3D și 7) prezintă o deplasare suplimentară a câmpului la 8,06 până la 8,15 ppm (Fig. 3e, regiunea verde), care este definită ca fiind regiunea XV. În schimb, probele care conțin policatenan aciclic (3a, 3b și 6) nu au vârfuri în această regiune. Prin urmare, este rezonabil să se concluzioneze că regiunea XV este specifică pentru policatenanii ciclici. Comparativ cu policatenanii aciclici (3a și 3b) sau catenanul 6, se pare că ~50% din vârfurile A/a ale policatenanului ciclic 7 sunt deplasate mai sus. O posibilă explicație este că arhitectura ciclică restricționează mobilitatea conformațională, rezultând o moleculă mai compactă (fig. S19E) și care permite efecte suplimentare de ecranare din părțile aromatice vecine. Având în vedere că integrala HA/a din 7 arată că ~50% din protonii HA/a ai săi sunt prezenți în regiunea VIII (fig. S20), este posibil să se determine numărul mediu de capete de lanț pentru policatenanii aciclici (NCEx) prezenți în fiecare fracție prin Eq. 2 (pentru derivare, a se vedea eqs. S3 până la S5) imagine încorporată(2)Unde I * * * * * * * * * * * este integrarea maximă a regiunii * * * * * * * * * * în spectrele RMN (Fig. 3E). Rezultatele acestor calcule arată că atât 3c, cât și 3d au NCEx 2 (cu nc < 2), în concordanță cu faptul că ambele conțin un amestec de policatenani liniari și ciclici, procentul de policatenani ciclici În 3C și 3D fiind de ~15 și, respectiv, ~34% (calculat prin eq. S6). Tabelul 1 rezumă masa molară și datele arhitecturale ale 3 și cele patru fracții 3a la 3d. Fracția cu cea mai mare masă molară (3a) este atribuită policatenanilor foarte ramificați (pe baza analizei MALS) (fig. S15A) cu o medie DP = 55. Fracțiunea 3b constă dintr-un grad mai mic de policatenani ramificați cu un DP mediu = 25. Fracțiile 3C și 3D conțin în principal policatenani liniari (cu unele ciclice) cu până la 27 (DP medie = 11) (fig. S15C) și 20 (DP medie = 8) (fig. S15d) inele interconectate, respectiv. Pe baza datelor din cele patru fracții, putem estima că procentul total de policatenani ramificați, liniari și ciclici este de ~24, ~60 și, respectiv, ~16%, ceea ce se potrivește bine cu rezultatul DECONVOLUȚIEI maxime GPC (28, 61, respectiv 11%) (Fig. 3A). Luate împreună, aceste date sunt în concordanță cu policatenanul 3 fiind un amestec de policatenani ramificați, policatenani liniari și policatenani ciclici, În aproximativ raporturile menționate mai sus.

se știe că catenanii preparați prin templarea metalelor prezintă un comportament metalo-receptiv (36). Ca atare, proprietățile receptive la stimuli metalici ale acestor policatenani au fost investigate atât în soluție, cât și în vrac, prin măsurarea razei hidrodinamice Rh (Fig. 4A și fig. S21) și temperatura de tranziție a sticlei (Tg) (Fig. 4B și fig. S22), respectiv. Adăugarea ionilor Zn2 + în policatenani ar trebui să blocheze mișcările conformaționale ale inelelor, inducând astfel o trecere de la un polimer foarte flexibil la un polimer semi-rigid, unde flexibilitatea provine în principal din fragmentele Tetraetilen glicol (TEG) (Fig. 4A). Pentru policatenanii predominant liniari (3C, DP medie = 11), adăugarea de Zn2+ arată o creștere substanțială (~70%) Rh de la 3,9 la 6,6 nm (Fig. 4A). Acest rezultat este de acord cu simulările dinamicii moleculare a tuturor atomilor de policatenan liniar metalizat (vezi materiale suplimentare). Moleculele au fost simulate cu OPLS (potențiale optimizate pentru simulări lichide) câmpul de forță al tuturor atomilor (39) cu 1,1,2,2-tetracloretan ca solvent, iar proprietățile polimerului au fost sondate folosind un experiment de extensie a forței. Pentru a modela un policatenan sub tensiune, un catenan a fost conectat la sine prin condiții limită periodice (Fig. 4C); extensia a fost aplicată prin lungimea sistemului (cutie), care este variată sistematic; iar tensiunea corespunzătoare rezultă din tensorul de presiune (eq. S9). Comportamentul de extensie a forței este bine descris de modelul extensible worm-like chain (ewlc) (40), așa cum se arată în Fig. 4C.conform acestei interpretări, contribuția fiecărui macrociclu la lungimea conturului, l = 2,40 0,03 nm, este considerabil mai mică decât lungimea de persistență, lp = 7,46 2.88 nm, care este caracteristic unui polimer semi-rigid. Din nou, această flexibilitate poate fi atribuită în primul rând segmentelor Teg ale macrociclului 2, dovadă fiind fluctuațiile mai mari ale distanțelor intermetale pentru 2 versus 4 (fig. S28 și S29). Pe baza simulărilor unui catenan metalizat neperiodic, Rh este ~34% Din distanța de la capăt la capăt (Ree). Pentru un policatenan metalizat de DP arbitrar, Ree poate fi calculat folosind statistici de lanț asemănătoare viermilor (eq. S15) și rezultatele simulărilor de extindere a forței. Rh pentru un policatenan mediu în fracția 3c este astfel estimat la 6,89 ctif 1.38 nm, în acord cu rezultatele DLS (6,6 nm), susținând în continuare concluzia că fracția 3C este în principal policatenan liniar (a se vedea materialele suplimentare). Structura simulată a unui policatenan liniar metalizat sub tensiune de ~15 pN este ilustrată în Fig. 4D, care prezintă un segment de 12 inele interconectate.

Fig. 4 studii experimentale asupra și simularea policatenanilor metalizați.

(a) ilustrarea modificării conformaționale metalo-receptive a unui policatenan liniar între structuri flexibile și semi-rigide, așa cum este indicat prin schimbarea razei hidrodinamice (Rh) (fig. S21). Flexibilitatea policatenanului metalizat se datorează în primul rând părții TEG a macrociclului 2. (B) date DSC pentru policatenani liniari (demetalați și metalizați) în comparație cu datele pentru polimerul ADMET 5 (Tg calculat la jumătatea înălțimii punctului mediu). „Exo Up” indică faptul că direcția fluxului de căldură exotermă este în sus. (C) curba de extensie a forței simulată produsă prin variația lungimii cutiei unui catenan liniar metalizat conectat la el însuși prin condiții limită periodice în direcția Z. Datele din simulări (cercuri verzi, dimensiunea punctului de date include eroarea) sunt potrivite de modelul extensibil de lanț asemănător viermilor (ewlc) (liniuțe negre). (D) Vizualizarea unui policatenan liniar metalizat (care prezintă un segment de 12 inele interconectate) sub o tensiune de ~15 pN din simulările dinamicii moleculare a tuturor atomilor în solvent de 1,1,2,2-tetracloretan (atomii de solvent și hidrogen omiși pentru claritate).

Similar cu policatenanul liniar, metalizarea policatenanului ramificat (3b, DP medie = 24,9) cu Zn2+ arată o creștere de ~50% a Rh la metalizare (5,0 până la 7,6 nm) (fig. S21B), probabil ca o consecință a unei extinderi a brațelor sale. Metalizarea policatenanului ciclic 7 (DP medie = 6) prezintă doar o schimbare relativ mică a Rh (~10%, de la 2,4 la 2,6 nm) (fig. S21C), care este în concordanță cu arhitectura sa ciclică care restricționează extinderea lanțului. În cea mai mare parte, valorile TG ale policatenanului cu arhitecturi predominant liniare (3C) și ramificate (3B) s-au dovedit a fi de 97 și, respectiv, 104, comparativ cu 137, pentru 5 (polimerul ADMET liniar de 1) . În general, polimerii cu o mai mare libertate de mișcare segmentară prezintă valori TG mai mici, ceea ce este în concordanță cu mișcările moleculare conformaționale mai facile așteptate de-a lungul coloanei vertebrale policatenane. Metalizarea cu Zn2 + blochează aceste mișcări conformaționale și reduce substanțial flexibilitatea policatenanului; ca atare, nu se observă valori Tg la încălzirea de până la 160 centicc atât pentru probele liniare, cât și pentru cele ramificate (Fig. 4B și fig. S22).

În concluzie, sinteza cu succes a policatenanilor cu lanț principal printr-o strategie modelată MSP a fost realizată în randament de ~75%. Amestecul de produse izolat cuprinde policatenani liniari, policatenani ramificați și policatenani ciclici. Această strategie sintetică deschide ușa pentru proiectarea și sinteza unei varietăți de noi polimeri interblocați.

materiale suplimentare

www.sciencemag.org / conținut/358/6369/1434/suppl / DC1

materiale și metode

text suplimentar

Fig. S1 la S29

tabele S1 la S3

referințe (41-93)

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

acesta este un articol distribuit sub termenii licenței implicite pentru reviste științifice.

referințe și note

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

    , inele borrome moleculare. Știință 304, 1308-1312 (2004). doi: 10.1126 / știință.1096914pmid:15166376

    1. J. J. Danon,
    2. A. kr,
    3. D. A. Leigh,
    4. J. F. Lemonnier,
    5. A. J. Stephens,
    6. I. J. Vitorica-yrezabal,
    7. S. L. woltering

    , împletind un nod molecular cu opt treceri. Știință 355, 159-162 (2017). doi: 10.1126 / știință.aal1619pmid:28082585

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

    , descoperirea unui nod organic de trifoi. Știință 338, 783-785 (2012). doi: 10.1126 / știință.1227032pmid: 23139329

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

    , mașini moleculare artificiale. Chem. 115, 10081-10206 (2015). doi: 10.1021 / acs.chemrev.5b00146pmid: 26346838

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

    , Epoxidarea polibutadienei de către catalizatorul legat topologic. Natură 424, 915-918 (2003). doi:10.1038/nature01925pmid:12931181

    1. K. K. Cot M. E. Belowich, M. Liong, M. W. Ambrogio,
    2. Y. A. Lau, H. A. Khatib,
    3. J. I. zink, N. M. Khashab,
    4. J. F. Stoddart

    , nanoparticule mecanizate pentru livrarea de medicamente. Scara nanometrică 1, 16-39 (2009). pmid: 20644858

    1. J. J. Davis,
    2. G. A. Orlowski, H. rar, P. D. Beer

    , molecule interconectate mecanic și comutabile la suprafețe. Chem. Joint. 46, 54-63 (2010). doi:10.1039/B915122Bpmid:20024293

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

    , Une nouvelle famille de molecule metalo-catenani. Tetraedru Lett. 24, 5095-5098 (1983). doi: 10.1016/S0040-4039(00)94050-4

    1. R. J. Wojtecki,
    2. Q. Wu,
    3. J. C. Johnson, D. G. Ray,
    4. L. T. J. Korley,
    5. S. J. Rowan

    , optimizând formarea catenaților care conțin piridină 2,6-bis(n-alchil-benzimidazolil)prin proiectarea componentelor. Chem. Sci. 4, 4440 (2013). doi:10.1039/c3sc52082j

    1. H. Lahlali,
    2. K. Jobe,
    3. M. Watkinson,
    4. S. M. Goldup

    , dimensiunea macrociclului contează: rotaxani funcționalizați „mici” cu randament excelent folosind cuaac abordare șablon activ. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 4151–4155 (2011). doi: 10.1002 / ani.201100415pmid:21462287

    1. P. R. Ashton,
    2. T. T. Goodnow,
    3. A. E. Kaifer,
    4. M. V. Reddington,
    5. A. M. Z. Slawin,
    6. N. Spencer,
    7. J. F. Stoddart,
    8. C. Vicent,
    9. D. J. Williams

    , o Catenană făcută la comandă. Angew. Chem. Int. Ed. Engleză. 28, 1396–1399 (1989). doi: 10.1002 / ani.198913961

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

    , topologie supramoleculară. Tetraedru 55, 5265-5293 (1999). doi: 10.1016/S0040-4020(99)00282-3

    1. Z. Niu, H. W. Gibson

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

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

    , de la geluri topologice la materiale cu inel glisant. J. Appl. Polym. Sci. 131, 40509 (2014). doi: 10.1002/app.40509

    1. J. L. Weidmann,
    2. J. P. Sauvage, D. Muscat, S. Mullins,
    3. W. K Xlxler,
    4. C. Rosenauer,
    5. H. J. R Xlxder,
    6. K. Martin,
    7. Y. Geerts

    , Policatenani și oligocatenani ciclici care conțin legături topologice și covalente alternante: sinteză și caracterizare. Chimie 5, 1841-1851 (1999). doi: 10.1002 / (SICI)1521-3765 (19990604)5:6<1841::aid-CHEM1841>3.0.CO; 2-Q

    1. T. Pakula,
    2. K. Jeszka

    , simularea macromoleculelor complexe unice. 1. Structura și dinamica catenanilor. Macromolecule 32, 6821-6830 (1999). doi:10.1021/ma990248c

    1. J. Weidmann,
    2. J. M. Kern,
    3. J. Sauvage,
    4. Y. Geerts,
    5. D. Muscat,
    6. K. M Okticllen

    , poli-catenani care conțin legături topologice și covalente alternante. Chem. Comun. 1996, 1243–1244 (1996). doi: 10.1039/CC9960001243

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

    , lanț principal și pandantiv poli(catenan)s care încorporează componente complementare bogate în electroni și cu deficit de electroni. 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. W. Kohler, H. J. R Unktolder, K. Martin, S. Mullins, B. M Okticller, K. M Okticllen,
    3. A. Geerts

    , sinteza și caracterizarea poli-catenanilor care conțin segmente rigide de catenan. Macromolecule 32, 1737-1745 (1999). doi: 10.1021/ma981077z

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

    , punte policatenan. Macromolecule 37, 6663-6666 (2004). doi: 10.1021 / ma048782u

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

    , un poli (biscatenan) care conține o combinație de legături covalente, mecanice și coordonative. ADV. Mater. 10, 1366–1369 (1998). doi: 10.1002 / (SICI)1521-4095 (199811)10:16 <1366::aid-ADMA1366>3.0.CO;2-D

    1. C. A. Fustin,
    2. C. Bailly,
    3. G. J. Clarkson,
    4. P. De Groote,
    5. T. H. Galow,
    6. D. A. Leigh,
    7. D. Robertson,
    8. A. M. Z. slawin,
    9. J. K. Y. Wong

    , policarbonat legat mecanic. 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

    , influența unui singur catenan asupra proprietățile în stare solidă ale polimerilor legați mecanic. ACS Macro Lett. 6, 468–472 (2017). doi: 10.1021/acsmacrolett.7b00204

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

    , sinteza și caracterizarea poli(1,2-ditian). Macromolecule 37, 3143-3150 (2004). doi:10.1021/ma021237d

    1. J. A., Berrocal,
    2. L. M. Pitet,
    3. M. M. L. Nieuwenhuizen,
    4. L. Mandolini,
    5. E. W. Meijer,
    6. Sfântul ștefan

    metateză cu deschidere inelară polimerizarea unui complex diolefinic-catenan-cupru(i): o cale ușoară către policatenani. Macromolecule 48, 1358-1363 (2015). doi: 10.1021 / ma502392v

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

    1. D. B. Amabilino,
    2. P. R. Ashton,
    3. A. S. Reder,
    4. N. Spencer,
    5. J Angew Chem. Int.Ed. Engleză. 33, 1286–1290 (1994). doi: 10.1002 / ani.199412861
    1. H. Iwamoto,
    2. S. Tafuku,
    3. Y. Sato,
    4. W. Takizawa,
    5. W. Katagiri,
    6. E. Tayama,
    7. E. Hasegawa,
    8. Y. Fukazawa,
    9. T. Haino

    , sinteza catenanilor liniari prin metateză olefină dimerizarea pseudorotaxanilor compuși dintr-un catenan și o sare secundară de amoniu. Chem. Comun. 52, 319–322 (2016). doi:10.1039/C5CC07562Apmid:26515104

    1. D. B. Amabilino,
    2. P. R. Ashton,
    3. S. E. Boyd,
    4. J. Y. Lee,
    5. S. Menzer,
    6. J. F. Stoddart,
    7. D. J. Williams

    , auto-asamblarea în cinci etape a unui heptacatenan ramificat. Angew. Chem. Int. Ed. Engleză. 36, 2070–2072 (1997). doi: 10.1002 / ani.199720701

    1. M. Burnworth,
    2. L. Tang,
    3. J. R. Kumpfer,
    4. aj Duncan,
    5. F. L. Beyer,
    6. G. L. Fiore,
    7. S. J. Rowan,
    8. C. weder

    , polimeri supramoleculari vindecabili optic. Natură 472, 334-337 (2011). doi: 10.1038 / nature09963pmid: 21512571

    1. R. J. Wojtecki,
    2. M. A. Meador,
    3. S. J. Rowan

    , folosind legătura dinamică pentru a accesa polimeri dinamici structurali receptivi macroscopic. Nat. Mater. 10, 14–27 (2011). doi:10.1038/nmat2891pmid: 21157495

    1. J. R. Kumpfer,
    2. S. J. Rowan

    , Proprietăți de memorie a formei termo-, foto-și chemo-receptive din polimeri metalo-supramoleculari reticulați foto. J. Am. Chem. Soc. 133, 12866–12874 (2011). doi:10.1021/ja205332wpmid: 21790172

    1. B. T. Michal,
    2. B. M. McKenzie,
    3. S. E. Felder,
    4. S. J. Rowan

    , Metalo-, termo-, și fotoresponsiv memoria formei și acționarea elastomeri cristalini lichizi. Macromolecule 48, 3239-3246 (2015). doi: 10.1021 / acs.macromol.5b00646

    1. R. Kramer,
    2. J. M. Lehn,
    3. A. Marquis-Rigault

    , auto-recunoaștere în auto-asamblare helicată: formarea spontană a complexelor metalice elicoidale din amestecuri de liganzi și ioni metalici. Proc. Natl. Acad. Sci. SUA 90, 5394-5398 (1993). doi: 10.1073 / pnas.90.12.5394 pmid:11607405

    1. S. J. Rowan,
    2. J. B. Beck

    , polimerizarea supramoleculară indusă de Metal-ligand: o cale către materiale receptive. Faraday Discuta. 128, 43–53 (2005). doi:10.1039/B403135Kpmid: 15658766

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

    , proprietăți și aplicații emergente ale liganzilor Interconectați mecanic. Chem. Comun. 53, 298–312 (2016). doi: 10.1039/C6CC07377Hpmid:27819362

    1. P. J. Wyatt

    , împrăștierea luminii și caracterizarea absolută a macromoleculelor. Anal. Chim. Acta 272, 1-40 (1993). doi: 10.1016/0003-2670(93)80373-s

    1. C. W. Bielawski,
    2. D. Benitez,
    3. R. H. Grubbs

    , o cale „nesfârșită” către polimeri ciclici. Știință 297, 2041-2044 (2002). doi: 10.1126 / știință.1075401pmid:12242440

    1. W. L. Jorgensen,
    2. D. S. Maxwell,
    3. J. Tirado-Rives

    , dezvoltarea și testarea câmpului de forță al tuturor atomilor OPLS asupra energeticii conformaționale și a proprietăților lichidelor organice. J. Am. Chem. Soc. 118, 11225–11236 (1996). doi: 10.1021/ja9621760

    1. T. Odijk

    , lanțuri rigide și filamente sub tensiune. Macromolecule 28, 7016-7018 (1995). doi: 10.1021/ma00124a044

  • M. P. Sibi,
  • G. Petrovic
  • , reacții radicale enantioselective: utilizarea triflimidelor metalice ca acizi Lewis. Tetraedru ASM mmetry doi:10.1016/S0957-4166(03)00543-3

    1. B. M. McKenzie,
    2. A. K. Miller,
    3. R. J. Wojtecki,
    4. J. C. Johnson,
    5. K. A., Burke,
    6. K. A., Tzeng,
    7. P. T. Mather,
    8. S. J. rowan

    sinteza îmbunătățită a liganzilor mezogeni 2,6-Bisbenzimidazolilpiridin funcționalizați. Tetraedru 64, 8488-8495 (2008). doi: 10.1016 / t2008. 05. 075

    1. H. Sashia Roy

    , modificarea chimică a chitosan 11: Chitosan–dendrimer hibrid ca un copac ca molecula. Carbohidr. Polym. 49, 195–205 (2002). doi: 10.1016 / S0144-8617 (01)00322-8

  • F. Heatley, în spectroscopia RMN a polimerilor (Springer, 1993), pp.1-49.
    1. M. Enamullah,
    2. W. Linert

    , Substituent – și solvent-efecte asupra stabilității de fier(II)-4-X-2,6-bis-(benzimidazol-2′-il)piridină complexe care prezintă spin-crossover în soluție. 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: o implementare paralelă a dinamicii moleculare care transmite mesaje. Calcul. Fizică. Joint. 91, 43-56 (1995). doi:10.1016/0010-4655(95)00042-E

    1. M. J. Abraham, T. Murtola,
    2. R. Schulz, S. p Unkticll,
    3. J. C. Smith, B. Hess, E. Lindahl

    , gromacs: Simulări moleculare de înaltă performanță prin paralelism pe mai multe niveluri de la laptopuri la supercomputere. SoftwareX 1-2, 19-25 (2015). doi: 10.1016 / j. softx.2015.06.001

    1. N. A. McDonald,
    2. W. L. Jorgensen

    , dezvoltarea unui câmp de forță all-atom pentru heterocicluri. Proprietățile pirolului lichid, furanului, diazolilor și oxazolilor. J. Phys. Chem. B 102, 8049-8059 (1998). doi: 10.1021 / jp981200o

    1. W. L. Jorgensen,
    2. N. A. McDonald

    , dezvoltarea unui câmp de forță all-atom pentru heterocicluri. Proprietățile piridinei lichide și diazenelor. J. Mol. Struct. THEOCHEM 424, 145-155 (1998). doi: 10.1016/S0166-1280(97)00237-6

    1. W. L. Jorgensen,
    2. J. Tirado-Rives

    , funcții de energie potențială pentru simulări la nivel atomic ale apei și sistemelor organice și biomoleculare. Proc. Natl. Acad. Sci. SUA 102, 6665-6670 (2005). doi: 10.1073 / pnas.0408037102pmid: 15870211

    1. M. K. Dahlgren,
    2. P. Schyman,
    3. J. Tirado-Rives,
    4. W. L. Jorgensen

    , caracterizarea energeticii torsionale biarilice și tratamentul acesteia în câmpurile de forță ale tuturor atomilor OPLS. J. Chem. Inf. Model. 53, 1191–1199 (2013). doi: 10.1021 / ci4001597pmid: 23621692

  • M. P. Allen, D. J. Tildesley, simularea pe calculator a lichidelor (Oxford Science Publications, 1989).
    1. T. Darden,
    2. D. York,
    3. L. Pedersen

    , plasă de particule Ewald: o metodă N-log(N) pentru sumele Ewald în sisteme mari. J. Chem. Fizică. 98, 10089-10092 (1993). doi:10.1063/1.464397

    1. U. Essmann, L. Perera, M. L. Berkowitz, T. Darden, H. Lee, L. G. Kp

    , metoda Ewald cu plasă de particule netede. J. Chem. Fizică. 103, 8577-8593 (1995). doi: 10.1063 / 1.470117

    1. S. nos (nos)

    , metoda dinamicii moleculare pentru simulări în ansamblul canonic. Mol. Fizică. 52, 255-268 (1984). doi: 10.1080 / 00268978400101201

    1. W. G. Hoover

    , dinamica canonică: distribuții de fază de echilibru-spațiu. Fizică. Rev. A 31, 1695-1697 (1985). doi: 10.1103 / PhysRevA.31.1695 pmid: 9895674

    1. M. Parrinello,
    2. A. Rahman

    , tranziții polimorfe în cristale unice: o nouă metodă de dinamică moleculară. J. Appl. Fizică. 52, 7182–7190 (1981). doi: 10.1063/1.328693

  • Y. Markus, proprietățile solvenților (Wiley, 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

    , câmpul de forță de referință al lichidelor organice: densitate, Entalpie de vaporizare, capacități termice, tensiune superficială, compresibilitate izotermică, coeficient de expansiune volumetric și constantă dielectrică. J. Chem. Teoria Comput. 8, 61–74 (2012). doi: 10.1021/ct200731vpmid:22241968

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

    , LINCS:un rezolvator de constrângeri liniare pentru simulări moleculare. J. Comput. Chem. 18, 1463–1472 (1997). doi: 10.1002 / (SICI)1096-987X (199709)18:12 <1463::AID-JCC4> 3.0.CO; 2-H

    1. B. Hess

    , P-LINCS: un solver de constrângere liniară paralelă pentru simulare moleculară. J. Chem. Teoria Comput. 4, 116–122 (2008). doi: 10.1021 / ct700200bpmid: 26619985

    1. W. F. van Gunsteren,
    2. H. J. C. Berendsen

    , simularea computerizată a dinamicii moleculare: metodologie, aplicații și perspective în chimie. Angew. Chem. Int. Ed. Engleză. 29, 992–1023 (1990). doi:10.1002 / ani.199009921

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

    , eșantionarea canonică prin viteza de redimensionare. Em PHS 126, 014101 (2007). doi: 10.1063 / 1.2408420 pmid: 17212484

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

    , dinamica moleculară cu cuplare la o baie externă. J. Chem. Fizică. 81, 3684–3690 (1984). doi: 10.1063 / 1.448118

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

    , molecula GROMACS& baza de date lichidă. Bioinformatică 28, 752-753 (2012). doi: 10.1093 / Bioinformatica / bts020pmid: 22238269

    1. B. J. Palmer

    , calculele funcției de autocorelare a curentului transversal ale vâscozității de forfecare pentru lichidele moleculare. Fizică. Rev. E 49, 359-366 (1994). doi: 10.1103 / PhysRevE.49.359 pmid: 9961225

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

    , un algoritm leap-frog pentru dinamica stocastică. Mol. Simulează. 1, 173–185 (1988). doi: 10.1080 / 08927028808080941

  • M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, X. Li, M. Caricato, A. Marenich, J. Bloino, B. G. Janesko, R. Gomperts, B. Mennucci, H. P. Hratchian, J. V. Ortiz, A. F. Izmaylov, J. L. Sonnenberg, D. Williams-Young, F. Ding, F. Lipparini, F. Egidi, J. Goings, B. Peng, A. Petrone, T. Henderson, D. Ranasinghe, V. G. Zakrzewski, J. Gao, N. Rega, G. Zheng, W. Liang, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, K. Throssell, J. A. Montgomery Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, 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. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, O. Farkas, J. B. Foresman, D. J. Fox, Gaussian 09, revizuirea A. 02 (Gaussian, Inc., 2009).

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

    , metode orbitale moleculare auto-consistente. XX. un set de bază pentru funcțiile de undă corelate. J. Chem. Fizică. 72, 650–654 (1980). doi: 10.1063 / 1.438955

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

    , afinitățile electronice ale atomilor din primul rând au fost revizuite. Seturi de baze sistematice și funcții de undă. J. Chem. Fizică. 96, 6796–6806 (1992). doi: 10.1063 / 1.462569

    1. A. W. Sch Inkttelkopf,
    2. D. M. F. van Aalten

    , PRODRG: un instrument pentru cristalografia cu randament ridicat a complexelor protein-ligand. Acta Crystallogr. D 60, 1355-1363 (2004). doi: 10.1107 / S0907444904011679pmid:15272157

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

    ,., Modelarea ionilor metalici folosind mecanica clasică. Chem. 117, 1564-1686 (2017). doi: 10.1021 / acs.chemrev.6b00440pmid: 28045509

    1. R. H. Stote, M. Karplus

    , legarea zincului în proteine și soluție: o reprezentare simplă, dar posibilă, exactă, fără legături. Proteine 23, 12-31 (1995). doi: 10.1002 / prot.340230104pmid: 8539245

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

    , Disolvat de metanol Dipicrat Biszinc. Acta Crystallogr. E E68, m1072 (2012). doi: 10.1107 / S1600536812031443

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

    , aplicarea transferului de sarcină statică într-un câmp de forță ionic-lichid și efectul său asupra structurii și dinamicii. ChemPhysChem 9, 1548-1558 (2008). doi: 10.1002 / cphc.200800200pmid: 18613196

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

    , reducerea sarcinii ionice și sarcinile parțiale atomice din calculele primelor principii ale clorurii de 1,3-dimetilimidazoliu. J. Phys. Chem. B 114, 6150-6155 (2010). doi:10.1021/jp910771qpmid:20397676

    1. W. Beichel,
    2. N. Trapp,
    3. C. Hauf,
    4. O. Kohler,
    5. G. Eickerling,
    6. W. Scherer,
    7. I. krossing

    , efectul de scalare a sarcinii în lichidele ionice din analiza densității de încărcare a metilsulfatului de n,n’-dimetilimidazoliu. Angew. Chem. Int. Ed. 53, 3143–3146 (2014). doi: 10.1002 / ani.201308760pmid: 24677323

    1. F. M Okticller-Plathe,
    2. W. F. van Gunsteren

    , simularea pe calculator a unui electrolit polimer: iodură de litiu în poli amorf(oxid de etilenă). J. Chem. Fizică. 103, 4745–4756 (1995). doi: 10.1063 / 1.470611

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

    , scăderea asocierii ion-ion îmbunătățește mobilitatea cationilor în conductorii cu un singur ion? Fizică. Chem. Chem. Fizică. 15, 16143–16151 (2013). doi: 10.1039 / c3cp51661jpmid:23986076

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

    , îmbunătățirea difuziei cationice și suprimarea difuziei anionice prin intermediul electroliților polimerici acizi Lewis. J. Phys. Chem. Let. 8, 641–646 (2017). doi: 10.1021 / acs.jpclett.6b02662pmid: 28075599

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

    , studii de dinamică moleculară a polietilenoxidului și polietilen glicolului: raza hidrodinamică și anizotropia formei. Biophys. J. 95, 1590–1599 (2008). doi: 10.1529 / biophysj.108.133025 pmid: 18456821

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

    , dependența sistem-dimensiune a coeficienților de difuzie și vâscozități din simulările dinamicii moleculare cu condiții limită periodice. J. Phys. Chem. B 108, 15873-15879 (2004). doi: 10.1021 / jp0477147

  • P. G. de Gennes, concepte de scalare în Fizica Polimerilor (Cornell Univ. Presă, 1979).
    1. M. D. Wang,
    2. H. Yin,
    3. R. Landick,
    4. J. Gelles,
    5. S. M. bloc

    , întinzând ADN-ul cu pensete optice. Biophys. J. 72, 1335-1346 (1997). doi: 10.1016 / S0006-3495 (97)78780-0pmid:9138579

  • M. Frenkel, K. N. Marsh, Eds., Densități de Halohidrocarburi (vol. 8j din Landolt-B seria de Chimie Fizică a grupului IV, Springer, 2003).
  • Institutul de proiectare pentru proprietăți fizice, proiectul 801 (Institutul American de Inginerie Chimică, 2010); www.aiche.org/dippr/projects/801.
  • O. Madelung, Ed., Constante dielectrice statice ale lichidelor Pure și amestecuri lichide binare (vol. 6 din Landolt-B seria de Chimie Fizică a grupului IV, Springer, 1991).
  • C. L. Yaws, manualul Yaws de proprietăți termodinamice și fizice ale compușilor chimici (Knovel, 2003).
  • D. R. Lide, manualul CRC de Chimie și fizică (CRC Press, ed. 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. Presa, ed. 1, 2003).

  • mulțumiri: îi mulțumim lui K. Herbert pentru ajutor în proiectarea figurilor și sugestii privind analiza datelor DSC, P. Agrawal pentru măsurători DOSY și F. Etheridge pentru discuții utile. Mulțumiri speciale lui S. Shang pentru imaginea brățării sale pentru Fig. 1a și R. Rauscher pentru asistență cu mai multe cifre. Această lucrare este finanțată de NSF în cadrul granturilor CHE 1700847, CHE 1402849 și CHE 1151423 și de Centrul de cercetare și Inginerie a materialelor de la Universitatea din Chicago, care este finanțat de NSF sub numărul de atribuire DMR-1420709. Date suplimentare sunt disponibile în materialele suplimentare.

    Lasă un răspuns

    Adresa ta de email nu va fi publicată.