Un outil simple pourrait faciliter la découverte de nouveaux matériaux mécaniquement sensibles

L’exploration des mécanophores continue d’élargir l’application pratique de ces molécules dans la science des matériaux, la synthèse organique et les produits pharmaceutiques en raison de leur capacité à changer physiquement ou chimiquement en réponse à une force.

Un mécanophore découvert il y a quelques années par des chimistes de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, dont le professeur Jeffrey Moore et l’étudiant diplômé Yunyan Sun, peut libérer des quantités contrôlées de monoxyde de carbone lorsqu’il est déclenché par une force mécanique, qui peut potentiellement être utilisée dans le corps humain comme un médicament pour traiter les maladies et les affections.

Appelé NEO, il dépend de la rupture des liaisons carbone-carbone, ce qui est courant dans diverses transformations mécanochimiques. Mais un défi majeur dans l’étude des mécanophores est de comprendre et de prédire la réactivité liée à la rupture de la liaison C-C.

En règle générale, cela nécessite beaucoup d’expérimentation et de calculs en raison de la nature vectorielle imprévisible des forces telles que la poussée ou la traction.

Une équipe de recherche comprenant Moore et Sun ainsi que des chercheurs du MIT et de l’Université Duke a développé un outil simple et intuitif capable de prédire sans longues expérimentations ni calculs la réactivité des liaisons C-C lors de la conception de mécanophores.

Leur article, « The Tension Activated Carbon-Carbon Bond », publié dans la revue Chimieexplique leur travail sur cet outil, qui rapporte un nouveau modèle informatique et sa validation expérimentale.

Selon les chercheurs, cet outil pourrait à terme conduire à la découverte de nouveaux matériaux mécaniquement sensibles et améliorer la compréhension des relations structure-réactivité, conduisant ainsi à des progrès dans le domaine de la mécanochimie.

Sun a déclaré que l’outil est dérivé du potentiel Morse, un modèle d’interaction interatomique pour l’énergie potentielle d’une molécule diatomique et un modèle de chimie classique familier aux étudiants de première année.

« C’est une dérivation très, très simple. Tout le monde peut le faire », a déclaré Sun à propos de cet outil mnémonique, appelé modèle de tension d’activation des liaisons (TMBA).

En construisant le triangle de force de restauration, TMBA capture l’activation mécanochimique des liaisons C – C dans des molécules complexes en utilisant deux paramètres facilement calculés : la constante de force effective et l’énergie de réaction, comme caractéristiques moléculaires clés qui régissent la cinétique mécanochimique.

Leur triangle aide à donner un sens à des calculs complexes, transformant les résultats en informations utiles.

« Ces calculs sont quantitativement précis mais difficiles à comprendre. Notre triangle est un moyen de trouver des caractéristiques moléculaires et des informations à partir des résultats, et donc de mieux comprendre ce que ce modèle informatique vous dit », a expliqué Moore.

Sun a déclaré qu’il était très important de fournir un outil intuitif comme celui-ci.

« Il existe toujours des calculs complexes de haut niveau qui peuvent vous aider dans une certaine mesure à prédire et à comprendre les choses, mais dans la plupart des cas, il n’est pas très utile de commencer par ceux-là. Vous avez besoin de quelque chose d’intuitif et simple pour vous aider, pour vous guider dans la conception. mécanophores. Notre modèle vous aide vraiment à comprendre ce qui se passe avec les calculs compliqués, mais vous ne voyez que les résultats », a déclaré Sun.

La chimie est enseignée et comprise à l’aide de modèles simplifiés qui résument des interactions complexes en concepts simples à comprendre, a déclaré Ilia Kevlishvili, co-auteur de l’étude, chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Heather J. Kulik, professeur de génie chimique et de chimie au MIT.

Des modèles ont été développés pour décrire des éléments allant des structures moléculaires (structures de Lewis) à la thermodynamique des réactions (HSAB) et à la cinétique (postulat de Hammond, théorie de Marcus, règles de Woodward-Hoffmann), a déclaré Kevlishvili.

« De même, nous avons développé un cadre simple pour rationaliser et comprendre la réactivité des liaisons activées mécaniquement, à la fois facile à comprendre et quantitativement informatif », a expliqué Kevlishvili.

« Le modèle lui-même peut être utilisé pour découvrir de nouveaux modes de réactivité donnant naissance à de nouveaux matériaux fonctionnels. De plus, le concept de mécanochimie productive est relativement nouveau et il est important de fournir un modèle facilement compréhensible sur la façon dont les contraintes mécaniques peuvent conduire à une réactivité précise. »

L’idée de ce travail est née lorsque Sun et Kevlishvili ont étudié une série de mécanophores NEO et ont remarqué une tendance de réactivité inattendue. En approfondissant, ils ont réalisé qu’il pouvait y avoir des paramètres clés corrélés à une tendance commune parmi certains mécanophores.

« Et puis nous avons commencé à nous demander s’il s’agissait d’une tendance qui pourrait être généralisée à des cas plus généraux de mécanophores, puis nous avons commencé à nous demander s’il y avait quelque chose de plus fondamental derrière cela qui pourrait aider l’ensemble du domaine de la mécanochimie », a déclaré Sun.

Moore a déclaré que l’idée initiale s’est transformée en une excellente collaboration avec des chercheurs du MIT et de Duke, qui sont leurs partenaires au sein de MONET, le Centre pour la chimie des réseaux moléculairement optimisés. Moore a déclaré que certains des concepts avaient été initiés à partir d’idées issues du laboratoire du professeur Steve Craig à Duke.

« Le concept de la CCI a vraiment fonctionné dans ce cas », a déclaré Moore.

Grâce à des expérimentations et des calculs approfondis, les chercheurs ont étudié quatre mécanophores NEO pour déterminer les deux caractéristiques moléculaires clés, puis créer leur modèle linéaire, qui a prédit avec précision la force de transition requise pour l’activation de la liaison C-C dans plus de 30 mécanophores connus.

Le résultat de leurs travaux représente un outil hautement accessible qui peut être utilisé dans le cadre de criblage à grande échelle pour prédire la réactivité mécanochimique de la liaison C – C dans la conception de mécanophores.

Kevlishvili a déclaré que les CCI comme MONET offrent une immense opportunité de rassembler des personnes possédant une expertise dans différents domaines.

« Ce projet était ma première introduction au domaine de la mécanochimie mais comme je travaillais en étroite collaboration avec Yunyan, Jeff et Steve, je n’ai rien raté et j’ai été rapidement rattrapé. Ce travail n’a été rendu possible que grâce à la venue de plusieurs groupes. ensemble, car chaque élément de données obtenu auprès de chaque groupe était crucial pour construire le cadre TMBA », a déclaré Kevlishvili.

Stephen L. Craig, professeur de chimie à Duke, et Tatiana Kouznetsova, analyste de recherche en laboratoire à Duke, ont fourni des études monomoléculaires sur une série de réactions mécanochimiques pour le projet. Craig a déclaré qu’il appréciait la manière dont Sun et Kevlishvili ont réussi à rassembler leurs propres perspectives et approches techniques complémentaires dans ce travail.

« C’était un plaisir d’être recruté dans cette collaboration », a déclaré Craig. « Je suis impatient de voir si la méthode constitue une voie efficace vers la découverte de mécanophores efficaces. »

En outre, a déclaré Moore, leur modèle est distillé en quelque chose de très enseignable avec un cadre conceptuel qui pourrait être une connaissance de manuel à l’avenir.

« En raison de cette capacité d’enseignement, cela amène une compréhension à un niveau qui pourrait être enseigné dès la première année », a-t-il déclaré.

« Vous avez toujours pensé que la liaison C-C était indestructible, mais ce n’est pas le cas. Si vous concevez votre molécule correctement de manière à pouvoir apporter de la force à cette liaison et si vous l’étirez jusqu’à un certain point et qu’il existe une voie de réaction alternative disponible, elle Vous pourriez emprunter cette voie et vous disposez d’un nouveau composé chimique ou d’une nouvelle fonctionnalité.