Jyväskylän yliopiston kemistit tekivät molekyyleistä joustavia kuppeja – sisälle voi laittaa vaikka liuottimena hyödynnettävää tolueenia

Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen ja Nanotiedekeskuksen tutkijat onnistuivat valmistamaan joustavia kuppimaisia molekyylejä, jotka säilyttävät ominaisuutensa sekä kiinteässä tilassa että liuoksessa. Molemmissa olosuhteissa molekyylit kiertyvät itsensä ympärille. Supramolekyylikemiassa niitä voidaan hyödyntää isäntämolekyyleinä, jotka voivat sitoa kuppiinsa metallikationeja, ammoniumioneja, tai neutraaleja vierasmolekyylejä kuten tolueenia heikkojen kemiallisten vuorovaikutusten avulla. Tätä voidaan hyödyntää esimerkiksi molekyylisensoreissa, lääkeaineiden kuljettimissa tai nanomateriaaleissa. Tutkimus julkaistiin Chemistry – A European Journal -lehdessä toukokuussa 2020.
Kuppimaiset resorsinareeni-molekyylit kiertyvät itsensä ympärille sekä kiinteässä tilassa että liuoksessa. Jyväskylän yliopisto/Kaisa Helttunen
Julkaistu
1.6.2020

Kuppimaisia resorsinareeneja eli aromaattisista hiilivedyistä koostuvia rengasmaisia molekyylejä muodostuu saman tyyppisissä reaktiossa kuin puun käsittelystä tutut synteettiset fenolihartsit. Yhdisteitä tutkitaan supramolekyylikemiassa isäntämolekyyleinä, jotka voivat sitoa kuppiinsa sopivan kokoisia positiivisesti varautuneita metallikationeja, ammonium-ioneja tai neutraaleja vierasmolekyylejä kuten tolueenia heikkojen kemiallisten vuorovaikutusten avulla.

Tuoreessa tutkimuksessa osoitettiin, että kun resorsinareenin runkoon liitettiin tolueeniryhmiä hiilivedystä koostuvan käsivarren avulla, linkittävän ryhmän kemiallisella koostumuksella oli suuri merkitys molekyylin muotoon eli konformaatioon. Rikkiä ja happea sisältävän sulfonyyliryhmän välityksellä kiinnitetty tolueeniryhmä kiertyi molekyylikupin sisään, kun taas pelkällä hiilivetyryhmällä kiinnitetty tolueeniryhmä oli vapaa liikkumaan myös molekyylikupin ympärillä.
Rakenteeltaan joustavien molekyylien muodolla ja laskostumisella on suora vaikutus niiden ominaisuuksiin ja toimintaan. Arkielämän kannalta tunnetumpia esimerkkejä tästä ovat biologiset makromolekyylit, proteiinit ja entsyymit.

Molekyylien rakenteen selvittäminen onnistui myös liuostilassa

Jyväskylän yliopiston tutkijat analysoivat molekyylin sisäisiä heikkoja kemiallisia sidoksia kiinteässä tilassa röntgenkristallografian avulla. He osoittivat, että hyvin heikotkin vuorovaikutukset olivat merkityksellisiä molekyylien rakenteen kannalta.

Liuoksessa molekyylejä tutkittiin ydinmagneettisen resonanssispektroskopian (NMR) avulla. Menetelmä perustuu magneettisesti herkkien isotooppien vasteeseen radiotaajuuspulsseille, samoin kuin lääketieteessä käytetty magneettikuvaus. Menetelmän avulla havaittiin, että joustavien molekyylien liike hidastui merkittävästi -80 celsiusasteen lämpötilassa, jolloin kuppiin liitettyjen tolueeniryhmien sijaintia pystyttiin tutkimaan.

”Molekyylien kiderakenteet antavat luotettavaa tietoa molekyylien muodosta ja heikoista kemiallisista vuorovaikutuksista kiinteässä tilassa. Tilanne muuttuu, kun rakenteeltaan joustava molekyyli laitetaan liuokseen, jossa se voi vapaasti liikkua. Silloin sen muotoa ei yleensä pysty suoralta kädeltä arvaamaan. Siksi olimme erittäin tyytyväisiä, että tässä tutkimuksessa onnistuimme selvittämään molekyylien rakenteen myös liuostilassa”, Jyväskylän yliopiston akatemiatutkija Kaisa Helttunen sanoo.

Tutkimus on tehty kokonaan jyväskyläläisin voimin hyödyntäen Jyväskylän yliopiston rakennekemian laitteistoja sekä CSC:n tieteellisen laskennan resursseja yhteistyössä Nanotiedekeskuksen tutkijoiden kanssa.

Tutkimusta rahoittaa Suomen Akatemia.

Linkki artikkeliin Chemistry – A European Journal –julkaisuun:

äپٴᲹ:
Akatemiatutkija Kaisa Helttunen, kaisa.j.helttunen@jyu.fi, puh. +358 40 844 8272
Tiedottaja Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, +358 50 581 8351
Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
/science/fi
jyscience jyuscience jyscience