Alza le tue due mani. Sono identici nella struttura, ma rispecchiano gli opposti. Non importa quanto ci provi, non possono essere sovrapposti l'uno all'altro. O, come direbbero i chimici, hanno "chiralità, " dalla parola greca per mano. Una molecola chirale si presenta in due identiche, ma opposto, forme, proprio come una mano sinistra e destra.

Il chimico dell'Università del Vermont Severin Schneebeli ha inventato un nuovo modo di usare la chiralità per creare una chiave inglese. Una chiave su scala nanometrica. La scoperta del suo team consente loro di controllare con precisione le forme su scala nanometrica e promette come metodo altamente accurato e veloce per creare molecole personalizzate.

Questo uso della "sintesi assistita dalla chiralità" è un approccio fondamentalmente nuovo per controllare la forma di grandi molecole, una delle esigenze fondamentali per realizzare una nuova generazione di materiali sintetici complessi, compresi polimeri e medicinali.

I risultati del team UVM sono stati presentati online, 9 settembre nella più prestigiosa rivista di chimica Angewandte Chemie .

Come i Lego

Sperimentando con antracene, una sostanza che si trova nel carbone, Schneebeli e il suo team hanno assemblato strisce di molecole a forma di C che, a causa della loro chiralità, sono in grado di unirsi tra loro in una sola direzione. "Sono come i Lego, " spiega Schneebeli. Queste strisce molecolari formano una struttura rigida che è in grado di contenere anelli di altre sostanze chimiche "in un modo simile a come una testa di bullone a cinque lati si inserisce in una chiave pentagonale, ", scrive la squadra.

Le strisce a forma di C possono unirsi tra loro, con due legami, in un solo orientamento geometrico. Così, a differenza di molte strutture chimiche, che hanno la stessa formula generale ma sono flessibili e possono torcersi e ruotare in molte diverse forme possibili, "questa ha una sola forma, " dice Schneebeli. "È come una vera chiave inglese, "dice, con un'apertura centomila volte più piccola della larghezza di un capello umano:1,7 nanometri.

"Mantiene completamente la sua forma, " lui spiega, anche in vari solventi e a molte diverse temperature, "che lo rende pre-organizzato per legarsi ad altre molecole in un modo specifico, " lui dice.

Questa chiave inglese, il nuovo studio mostra, può legarsi in modo affidabile a una famiglia di grandi molecole ben note chiamate "macrocicli di pillarene". Questi anelli di pillarene hanno, loro stessi, spesso usato come "ospite, "in chimica-parlare, circondare e modificare altre sostanze chimiche "ospiti" nel loro mezzo e hanno molte possibili applicazioni dalla somministrazione controllata di farmaci alle sostanze organiche che emettono luce.

"Abbracciando i pilastrini, " scrive il team del Vermont, "le strisce a forma di C sono in grado di regolare le interazioni degli ospiti pillarene con gli ospiti convenzionali". In altre parole, i chimici possono usare la loro nuova chiave per regolare a distanza l'ambiente chimico all'interno del pillarene nello stesso modo in cui un meccanico può girare un bullone esterno per regolare le prestazioni all'interno di un motore.

La nuova chiave inglese può rendere il legame all'interno degli anelli di pillarene "circa cento volte più forte, "di quanto sarebbe senza la chiave inglese, Schneebeli dice.

Fare modelli

Anche, "perché questo tipo di molecola è rigida, possiamo modellarlo nel computer e proiettare come appare prima di sintetizzarlo in laboratorio, " dice il chimico teorico UVM Jianing Li, Collaboratore di Schneebeli nella ricerca e coautore del nuovo studio. Che è esattamente quello che ha fatto, creando simulazioni dettagliate di come funzionerebbe la chiave inglese, utilizzando processori per computer nel Vermont Advanced Computing Core.

"Questa è un'idea rivoluzionaria, "Li ha detto, "Abbiamo il controllo al 100% della forma, che offre una grande economia atomica e ci fa sapere cosa accadrà prima di iniziare a sintetizzare in laboratorio."

Nel laboratorio, ricercatore post-dottorato e autore principale Xiaoxi Liu, studente universitario Zackariah Weinert, e altri membri del team sono stati guidati dalle simulazioni al computer per testare la chimica effettiva. Utilizzando uno spettrometro di massa e uno spettrometro NMR nel dipartimento di chimica UVM, il team è stato in grado di confermare l'idea di Schneebeli.

Semplicità creativa

Sir Fraser Stoddart, un chimico leader mondiale presso la Northwestern University, ha descritto il nuovo studio come, "Brillante ed elegante! Creativo e semplice." E, infatti, è la semplicità dell'approccio che lo rende potente, Schneebeli dice. "È tutto basato sulla geometria che controlla la simmetria delle molecole. Questa è l'unica forma che può assumere, il che lo rende molto utile".

Prossimo, il team mira a modificare i pezzi a forma di C, che sono legati insieme da due legami formati tra due azoti e bromo, per creare altre forme. "Stiamo realizzando un tipo speciale di spirale che sarà flessibile come una vera molla, "Spiega Schneebeli, ma manterrà la sua forma anche sotto forte stress.

"Questa forma elicoidale potrebbe essere super resistente e flessibile. Potrebbe creare nuovi materiali, forse per caschi più sicuri o materiali per lo spazio, " dice Schneebeli. "Nel quadro generale, questo lavoro ci indirizza verso materiali sintetici con proprietà che, oggi, nessun materiale ha."