Investigadores De Berkeley Crean Los Primeros Marcos Orgánicos Supramoleculares 2d Solubles

Los investigadores crean los primeros marcos orgánicos supramoleculares 2D solubles

Los puntales triangulares rígidos se autoensamblan en combinación con anillos de macrociclo en solución para crear una estructura orgánica supramolecular (SOF). Cada puntal contiene unidades funcionales que resisten el apilamiento para mantener el marco 2D en una sola capa.

Los investigadores de Berkeley Lab han demostrado la primera estructura orgánica supramolecular en panal 2D de una sola capa soluble que combina las características ordenadas y porosas de las estructuras organometálicas con la solubilidad de los polímeros supramoleculares.

La química supramolecular, también conocida como química más allá de la molécula, en la que las moléculas y los complejos moleculares se mantienen unidos por enlaces no covalentes, apenas está comenzando a cobrar fuerza con el surgimiento de la nanotecnología. Estructuras metalorgánicas ( MOF ) están atrayendo gran parte de la atención debido a su apetito por los gases de efecto invernadero, pero un nuevo jugador se ha unido al campo: los marcos orgánicos supramoleculares (SOF). Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han presentado las primeras SOF bidimensionales que se autoensamblan en solución, un avance importante que tiene implicaciones para las tecnologías de detección y separación, ciencias de la energía, y, quizás lo más importante, biomiméticos.

“Hemos demostrado el primer SOF soluble en panal 2D de una sola capa que combina las características ordenadas y porosas de los MOF con la solubilidad de los polímeros supramoleculares”, dice Yi Liu, químico de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab. “Los resultados demuestran que podemos ejercer un control preciso de la dimensionalidad dentro de las estructuras a través de un enfoque supramolecular basado en soluciones, que allana el camino para el ensamblaje de arquitecturas más avanzadas que se pueden procesar en solución”.

Liu, que supervisa el grupo de investigación de electrónica supramolecular en Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación de usuarios de nanociencia nacional del DOE, es uno de los tres autores correspondientes de un artículo que describe esta investigación en el Journal of the American Chemical Society (JACS). El artículo se titula “Hacia un marco orgánico supramolecular en forma de panal bidimensional de una sola capa en el agua”. Los otros autores correspondientes son Xin Zhao y Zhan-Ting Li, del Instituto de Química Orgánica de Shanghai y la Universidad Fudan de China.

Los investigadores crean estructuras orgánicas supramoleculares 2D solubles

Los SOF presentan una estructura porosa con periodicidad de panal similar a un MOF.

La química molecular tradicional implica los fuertes enlaces covalentes formados por el intercambio o el intercambio de electrones entre los átomos que forman un sistema molecular. La química supramolecular involucra sistemas que se mantienen unidos por una multitud de conexiones no covalentes más débiles, como enlaces de hidrógeno y fuerzas electrostáticas y de Van der Waals. La naturaleza usa la química supramolecular para formar la doble hélice de ADN o para plegar proteínas. Para la nanotecnología, capas únicas de materiales bidimensionales ordenados estructuralmente, en la línea de grafeno – podría satisfacer una gran cantidad de necesidades, pero la clave es procesarlas en una solución.

“El procesamiento basado en soluciones permite la producción en masa y la reducción de los costos de fabricación, y es un paso importante para transferir materiales a un estado seco sin perder su integridad estructural”, dice Yi. “El procesamiento basado en soluciones también permite aplicaciones relacionadas con la biología, como la detección biomimética, donde la estructura del marco es ventajosa para la captura de moléculas huésped y la amplificación de señales químicas”.

Sin embargo, el autoensamblaje de polímeros de sistemas supramoleculares 2D bien definidos en solución ha sido un desafío porque dichos polímeros tienden a precipitar fuera de la solución, lo que los hace difíciles de manipular y caracterizar. Para afrontar este desafío, Yi y sus colaboradores utilizaron una combinación de trípodes autoensamblables y anillos de marociclo para formar un marco poroso con periodicidad de panal, similar a la de un MOF, pero que permanece rígido en la solución. Equipar los trípodes con grupos hidrófilos voluminosos que resisten el apilamiento preservó la solubilidad y la arquitectura 2D de una sola capa de la estructura.

“El hecho de que nuestro marco se mantenga unido mediante interacciones supramoleculares reversibles no covalentes garantiza una buena solubilidad en agua”, dice Li. “El control dimensional preciso de nuestro procesamiento basado en soluciones facilita la personalización estructural y química de nuestras estructuras”.

Los trípodes de estos SOF estaban hechos de moléculas aromáticas de bipiridina cuyo trío de puntales o brazos estaban entrelazados con los puntales de sus moléculas vecinas a través de macrociclos, que estaban hechos de moléculas de cucurbiturilo. Las moléculas utilizadas en este estudio fueron iniciadores de prueba de principio. Otras moléculas para los puntales podrían emplearse en el futuro para el diseño de arquitecturas similares o más complejas. Las estructuras 2D de una sola capa de estos primeros SOF se caracterizaron en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, otra instalación de usuario nacional del DOE, utilizando tecnologías de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en las líneas de luz 12.3.1 y 7.3.3.

Yi y sus colaboradores en Molecular Foundry y en Shanghai ahora están trabajando para crear SOF solubles en 3D. Además de los autores correspondientes, otros autores del artículo de JACS fueron Kang-Da Zhang, Jia Tian, ​​David Hanifi, Yuebiao Zhang, Andrew Chi-Hau Sue, Tian-You Zhou y Lei Zhang.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE.

Publicación : Kang-Da Zhang, et al., “Hacia un marco orgánico supramolecular de panal de abeja bidimensional de una sola capa en agua”, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (47), págs. 17913–17918; DOI: 10.1021 / ja4086935

Imágenes: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

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