Eindelijk is duidelijk waarom polyetheenglycol (PEG) perfect in water oplost en polyoxymethyleen (POM) helemaal niet. Het heeft alles te maken met de hoeveelheid negatieve lading die de zuurstofatomen in de ketens naar zich toe kunnen trekken, schrijven onderzoekers uit Amsterdam en Mainz in Nature Communications.

De groepen van Sander Woutersen, Bernd Ensing en de broers Daniel en Mischa Bonn illustreren het met een computersimulatie waarin ze de virtuele zuurstofatomen in POM-ketens voorzagen van de lading die bij zuurstofatomen in PEG hoort. Na die (experimenteel uiteraard onmogelijke) modificatie loste het virtuele POM ineens prima op in water.

Zie het rechter plaatje, naast PEG (links) en normaal POM (midden).

Het verschil gaat tegen de intuïtie in. PEG bestaat uit repeterende -CH₂-CH₂-O-groepen, bij POM is dat -CH₂-O-. Het zijn dus allebei polyethers, en daarvoor geldt de vuistregel dat ze beter oplossen in water naarmate het percentage zuurstofatomen in de keten hoger is. Watermoleculen hebben dan meer gelegenheid om zich daar via waterstofbruggen aan te binden. Meestal klopt het: polypropeenglycol (PPG, -CH₂-CH₂-CH₂-O-) lost minder goed op in water dan PEG.

Maar terwijl PEG zó goed in water oplost dat het in de life sciences populair is als hulpmiddel om eiwitten en nanodeeltjes eveneens oplosbaar te maken, is POM (ook bekend als Delrin) een totaal onoplosbare kunststof. Er worden onder meer slijtvaste tandwielen van gemaakt, en zogeheten Keck-clips die glazen onderdelen van laboratoriumopstellingen bij elkaar houden.

Tot nu toe was dat onverklaarbaar. Bij gebrek aan beter werd vaak aangenomen dat het lag aan de afstand tussen de zuurstofatomen. Bij POM zou die slecht aansluiten op de afstand die watermoleculen, gedwongen door hun onderlinge netwerk van waterstofbruggen, plegen aan te houden. Maar echt hard bewijs was daar niet voor.

Een combinatie van spectroscopische experimenten, kwantumchemische berekeningen en computersimulaties laat nu zien dat deze hypothese gewoon niet klopt. De ware reden blijkt opnieuw verborgen te zitten in het percentage zuurstofatomen, alleen werkt het hier de andere kant op. Bij PEG heeft elke O aan weerszijden een héle C om negatieve lading aan te onttrekken. Bij POM moet de O de elektronen van die C’s delen met de buren. Met als gevolg dat er te weinig overblijft om serieuze waterstofbruggen te vormen met de H’s van omringende watermoleculen. En dat een kluit POM-moleculen dus niet door omringend water uit elkaar kan worden getrokken.

De reeds genoemde computersimulatie, die de negatieve lading van de O’s in POM opvoert, laat zien dat dit echt de reden is.

bron: UvA, Nature Communications