Rulle dem op:Syntetisere organiske molekyler med en lang spiralformet struktur

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) producerede og karakteriserede i vid udstrækning nye organiske molekyler med en lang spiralformet struktur. I modsætning til tidligere spiralformede molekyler, disse længere forbindelser udviser særlige vekselvirkninger mellem spoler, der kunne give anledning til interessante optiske og kemiske egenskaber med anvendelser i lyspolarisering, katalyse, og molekylære kilder.

Oftere end ikke, organiske molekyler med unikke 3-D strukturer har fysisk-kemiske egenskaber, som ikke kan findes i andre typer forbindelser. Helicenes, kæder af simple benzenringe, der antager en spiralformet struktur, er et godt eksempel. Disse molekyler, som ligner en fjeder, har interessante anvendelser inden for optik og som kemiske sensorer eller katalysatorer. Imidlertid, det er stadig vanskeligt at syntetisere lange helicener; den længste, der nogensinde er lavet, var seksten benzenringe lang, hvilket svarede til en spiralformet struktur med lidt mere end to hele og en halv omgang.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Kemi - Et europæisk tidsskrift , et team af videnskabsmænd ved Tokyo Tech blandede tingene sammen ved at syntetisere en anden type organisk molekyle med en spiralformet struktur. I modsætning til helicener, den grundlæggende enhed af deres forbindelser var anthracen, en lineær kæde af tre aromatiske ringe. I tidligere værker, holdet havde formået at syntetisere [3]HA, som står for "spiralformet anthracen med tre anthracenenheder." Imidlertid, som professor Shinji Toyota, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen, forklarer, "[3]HA var ikke lang nok til at nå en hel omgang. Derfor, den udviste ikke nogle af de ejendommelige egenskaber, der opstår fra interaktionerne mellem forskellige 'lag' af den spiralformede struktur på en ansigt-til-ansigt måde."

Ved at bruge en nøje planlagt trin-for-trin proces, det lykkedes forskerne at syntetisere [4]HA og [5]HA, som de fortsatte med at karakterisere gennem en række eksperimenter understøttet af teoretiske beregninger. De verificerede sammensætningen og strukturen af ​​forbindelserne ved hjælp af protonkernemagnetisk resonans og røntgenanalyse. Disse resultater blev bekræftet gennem beregninger af tæthedsfunktionsteori, en meget brugt tilgang, der bruges til at lave kvantemekaniske modeller af elektroniske og nukleare strukturer.

Derefter, forskerne kvantificerede stabiliteten af ​​de forskellige spiralformede anthracener ved at bruge dem i en virtuel kemisk reaktion, der ændrede dem til flade molekyler. Interessant nok, stabiliteten af ​​3[HA] var næsten den samme som for [4]HA og [5]HA. Dette indikerer, at de destabiliserende kræfter, der naturligt forekommer i længere molekylære kæder ([4]HA og [5]HA), faktisk udlignede med de nye ansigt-til-ansigt stabiliserende interaktioner mellem forskellige spiralformede lag. Disse interaktioner mellem lagdelt anthracendel blev visualiseret ved Non-Covalent Interaction (NCI) analyse. Virkningen af ​​disse nye interaktioner var også tydelig i fotoemissionsegenskaberne af de længere molekyler; deres emissionsbånd ved excitation var længere levetid, fremhæver det faktum, at ophidsede tilstande blev bevaret længere.

Endelig, forskerne udforskede den spiralformede inversionsproces i den nye, længere forbindelser. Denne inversion refererer til processen med venstrehåndede spiraler, der ændrer sig til højrehåndede og omvendt. Nogle attraktive optiske egenskaber såsom cirkulær polarisering går tabt, hvis venstre- og højrehåndede spiraler er til stede i lige store forhold. Dette motiverede teamet til at analysere den trinvise proces, hvorved hver spiralformet struktur ændrer retning.

Samlet set, denne undersøgelse giver noget tiltrængt indblik i en ny type spiralformet molekyle. Ser allerede fremad, Toyota kommenterer fremtidige arbejder, der involverer disse spændende forbindelser:"At udvide spiralformede anthracener yderligere og producere dem med en enkelt spoleretning er fortsat en udfordring, og det samme gør testning af deres ydeevne som molekylære fjedre. Vores team arbejder i øjeblikket på at syntetisere endnu længere molekyler og udføre strukturelle modifikationer." Kun tiden vil vise, hvad der er i kø for spiralformede strukturer, når længere endelig dukker op!