Man kann sich Polymere wie Züge vorstellen: So wie ein Zug aus mehreren Waggons besteht, bestehen Polymere aus mehreren Monomeren, und die Verbindungen zwischen den Waggons ähneln den chemischen Bindungen, die Monomere miteinander verbinden. Polymere haben zwar unzählige Anwendungen – von der Arzneimittelverabreichung bis hin zu Baumaterialien –, ihre Strukturen und Funktionen sind jedoch durch die chemisch ähnlichen Monomerbausteine, aus denen sie bestehen, eingeschränkt.
Nun haben Chemiker von Scripps Research und weitere Mitarbeiter eine neue Reaktion entwickelt, um einzigartige Monomere auf kontrollierte Weise zu erzeugen. Diese Reaktion, bei der Nickel als Katalysator verwendet wird, ermöglicht es Wissenschaftlern letztendlich, Polymere mit einzigartigen und veränderbaren Eigenschaften für die Arzneimittelverabreichung, Energiespeicherung, Mikroelektronik und mehr herzustellen. Die Studie wurde veröffentlicht in Natursynthese am 8. August 2024.
„Diese Studie zeigt, wie auf der Erde reichlich vorhandene Metallkatalysatoren den Weg zu bisher unbekannten Materialien mit beispielloser struktureller und funktioneller Vielfalt ebnen können“, sagt der leitende Autor Keary Engle, Ph.D., Professor im Fachbereich Chemie und Dekan für Graduierten- und Postdoktorandenstudien bei Scripps Research.
Das Engle-Labor bei Scripps Research konzentriert sich auf die Entwicklung neuer chemischer Reaktionen, um eine breite und vielfältige Palette kleiner Moleküle aufzubauen, die typischerweise in der Arzneimittelforschung Anwendung finden. In dieser Studie arbeitete das Scripps Research-Team mit Polymerforschern am Georgia Institute of Technology und der University of Pittsburgh zusammen, um zu testen, ob ihre Methoden hochskaliert werden könnten, um einzigartige Polymere herzustellen.
„Die Eigenschaften von Polymeren hängen stark von der chemischen Zusammensetzung des Grundgerüsts ab. Wenn man also die Chemie der Bausteine modifizieren kann, lässt sie sich leicht auf die makromolekulare Struktur anwenden, die man gerade aufbaut“, sagt Dr. Anne Ravn, Postdoktorandin im Engle-Labor von Scripps Research und Co-Erstautorin der Studie.
„Mit diesem Projekt wollten wir testen, ob unsere Strategie zur Entwicklung kleiner Moleküle auf ein größeres Bild angewendet werden kann, um neue Bausteine für die Polymersynthese bereitzustellen.“
Die anderen Erstautoren des Artikels sind Van Tran, Ph.D., der als Doktorand im Engle-Labor an dem Projekt arbeitete; Camille Rubel, eine aktuelle Doktorandin im Engle-Labor; Mizhi Xu, Ph.D., eine ehemalige Doktorandin im Gutekunst-Labor am Georgia Institute of Technology; und Yue Fu, Ph.D., eine ehemalige Doktorandin im Liu-Labor an der University of Pittsburgh.
Um die neuen Monomere zu erzeugen, entwickelte das Scripps-Forschungsteam eine chemische Reaktion, die die Struktur eines Ausgangsmoleküls durch die Verwendung von Nickel als Katalysator verändert. Die nickelkatalysierte Reaktion fügte dem Molekül zwei neue „funktionelle Gruppen“ hinzu – kleine Seitenketten, die dem entstehenden Polymer unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften verleihen, beispielsweise wie flexibel, elastisch oder löslich es ist.
Anschließend nutzten die Mitarbeiter des Teams am Georgia Institute of Technology eine weitere chemische Reaktion, um die Monomere durch Polymerisation miteinander zu verknüpfen, wodurch Polymere mit einer einzigartigen Struktur entstanden.
„Die meisten kommerziellen Polymere haben zwischen jeder funktionellen Gruppe zwei Kohlenstoffatome, die nicht mit Seitenketten versehen sind. In diesem Fall sind die funktionellen Gruppen jedoch viel näher beieinander, wodurch ein Material mit anderen Eigenschaften entsteht“, sagt Ravn.
In der Zukunft plant das Team, die Auswirkungen des Austausches verschiedener funktioneller Gruppen gegen die Monomere zu untersuchen.
„Unsere Strategie ermöglicht es uns, das Molekül viel flexibler zu ‚dekorieren‘ als mit anderen Methoden, was uns mehr Freiheit gibt, verschiedene Arten von Funktionalitäten in den Bausteinen zu untersuchen“, sagt Ravn. „Wir arbeiten jetzt daran, die Methode zu erweitern, um zu untersuchen, wie die Einführung anderer Arten von Funktionsgruppen die Eigenschaften des Materials verändert.“
Da Nickel häufiger vorkommt als viele andere Metallkatalysatoren, die bei dieser Art chemischer Reaktionen verwendet werden, ist ihre Methode laut den Forschern vielversprechend als umweltverträgliche Methode zur Polymerproduktion. Sie erforschen auch Möglichkeiten, die Produkte noch nachhaltiger zu machen.
„Aus ökologischer Sicht möchten wir eine Methode finden, diese langen Polymere abzubauen, damit wir die ursprünglichen Bausteine zurückgewinnen und sie wiederverwenden können“, sagt Ravn. „Wir hoffen, dieses Werkzeug in Zukunft noch weiter verfeinern zu können, um letztlich neue Technologien zu schaffen, die für die Gesellschaft von Nutzen sind.“
Mehr Informationen:
Van T. Tran et al, Ni-katalysierte Dicarbofunktionalisierung zur Synthese sequenzkodierter Cyclooctenmonomere, Natursynthese (2024). DOI: 10.1038/s44160-024-00618-1