Levanta tus dos manos. Son idénticos en estructura, pero espejos opuestos. No importa que tan duro lo intentes, no se pueden superponer entre sí. O, como dirían los químicos, tienen "quiralidad, "de la palabra griega que significa mano. Una molécula que es quiral viene en dos idénticos, pero opuesto, formas, al igual que una mano izquierda y derecha.

El químico de la Universidad de Vermont, Severin Schneebeli, ha inventado una nueva forma de utilizar la quiralidad para hacer una llave inglesa. Una llave a nanoescala. El descubrimiento de su equipo les permite controlar con precisión las formas a nanoescala y es prometedor como un método rápido y de alta precisión para crear moléculas personalizadas.

Este uso de la "síntesis asistida por quiralidad" es un enfoque fundamentalmente nuevo para controlar la forma de moléculas grandes, una de las necesidades fundamentales para hacer una nueva generación de materiales sintéticos complejos. incluidos polímeros y medicamentos.

Los resultados del equipo de UVM se presentaron en línea, 9 de septiembre en la revista de química mejor clasificada Angewandte Chemie .

Como legos

Experimentando con antraceno, una sustancia que se encuentra en el carbón, Schneebeli y su equipo ensamblaron tiras de moléculas en forma de C que, por su quiralidad, pueden unirse en una sola dirección. "Son como Legos, "Schneebeli explica. Estas tiras moleculares forman una estructura rígida que es capaz de contener anillos de otros productos químicos" de una manera similar a cómo encaja una cabeza de perno de cinco lados en una llave pentagonal, "escribe el equipo.

Las tiras en forma de C se pueden unir entre sí, con dos lazos, en una sola orientación geométrica. Entonces, a diferencia de muchas estructuras químicas, que tienen la misma fórmula general pero son flexibles y pueden torcerse y rotar en muchas formas posibles diferentes, "esto tiene una sola forma, ", Dice Schneebeli." Es como una verdadera llave inglesa, ", dice, con una abertura cien mil veces más pequeña que el ancho de un cabello humano:1,7 nanómetros.

"Mantiene completamente su forma, " el explica, incluso en varios disolventes y a muchas temperaturas diferentes, "lo que hace que esté preorganizado para unirse a otras moléculas de una manera específica, " él dice.

Esta llave el nuevo estudio muestra, puede unirse de manera confiable a una familia de moléculas grandes conocidas llamadas "macrociclos de pillareno". Estos anillos de pillareno tienen, ellos mismos, a menudo se utiliza como "host, "en química-hablar, para rodear y modificar otros productos químicos "invitados" en su medio, y tienen muchas aplicaciones posibles, desde la administración controlada de fármacos hasta sustancias orgánicas emisoras de luz.

"Al abrazar pillarenos, "escribe el equipo de Vermont, "Las tiras en forma de C pueden regular las interacciones de los huéspedes pillarene con los huéspedes convencionales". En otras palabras, los químicos pueden usar su nueva llave para ajustar remotamente el ambiente químico dentro del pillareno de la misma manera que un mecánico puede girar un perno exterior para ajustar el desempeño dentro de un motor.

La nueva llave puede hacer que la unión al interior de los anillos de pillareno sea "unas cien veces más fuerte, "de lo que sería sin la llave inglesa, Dice Schneebeli.

Haciendo modelos

También, "debido a que este tipo de molécula es rígida, podemos modelarlo en la computadora y proyectar cómo se ve antes de sintetizarlo en el laboratorio, "dice el químico teórico de UVM Jianing Li, Colaborador de Schneebeli en la investigación y coautor del nuevo estudio. Que es exactamente lo que hizo, crear simulaciones detalladas de cómo funcionaría la llave, utilizando procesadores de computadora en Vermont Advanced Computing Core.

"Esta es una idea revolucionaria, "Li dijo, "Tenemos el 100% de control de la forma, lo que proporciona una gran economía atómica y nos permite saber qué sucederá antes de que comencemos a sintetizar en el laboratorio ".

En el laboratorio, investigadora postdoctoral y autora principal Xiaoxi Liu, estudiante de pregrado Zackariah Weinert, y otros miembros del equipo fueron guiados por las simulaciones por computadora para probar la química real. Usando un espectrómetro de masas y un espectrómetro de RMN en el departamento de química de UVM, el equipo pudo confirmar la idea de Schneebeli.

Simplicidad creativa

Sir Fraser Stoddart, un químico líder mundial en la Universidad Northwestern, describió el nuevo estudio como, "¡Brillante y elegante! Creativo y simple". Y, Por supuesto, es la simplicidad del enfoque lo que lo hace poderoso, Dice Schneebeli. "Todo se basa en la geometría que controla la simetría de las moléculas. Ésta es la única forma que puede adoptar, lo que la hace muy útil".

Próximo, el equipo tiene como objetivo modificar las piezas en forma de C, que están unidas con dos enlaces formados entre dos nitrógenos y bromos, para crear otras formas. "Estamos haciendo un tipo especial de espiral que será flexible como un resorte real, "Schneebeli explica, pero mantendrá su forma incluso bajo gran tensión.

"Esta forma helicoidal podría ser súper fuerte y flexible. Podría crear nuevos materiales, quizás para cascos o materiales más seguros para el espacio, ", Dice Schneebeli." En el panorama general, este trabajo nos apunta hacia materiales sintéticos con propiedades que, hoy dia, ningún material lo ha hecho ".