Nye flydende krystaller produceret ved at stable antiaromatiske enheder kan føre til fremskridt inden for organiske halvledere

I organisk kemi er π-stablingssystemer supramolekylære strukturer, der opstår på grund af dispersionskraften, en type intermolekylær ikke-kovalent interaktion. De er en almindelig begivenhed i naturen. Den stabiliserede struktur af DNA er et meget fremtrædende eksempel på et π-stablingssystem, og det samme er arrangementet af aminosyrer i visse proteiner.

Interessant nok kan π-stabling udnyttes i design af materialer med nyttige elektroniske og optiske egenskaber. Disse omfatter organiske halvledere af forskellig art samt konjugerede polymerer til sensing og biomedicinske anvendelser.

Hidtil har en god del af teknologisk relevante π-stablingssystemer været begrænset til aromatiske forbindelser, som har iboende π-elektronskyer. På den anden side er antiaromatiske forbindelser, selvom de er lovende kandidater til udvikling af elektriske ledere, sjældent blevet rapporteret som byggeenheder i π-stablingssystemer.

Overraskende nok rapporterede et forskerhold ledet af professor Hiromitsu Maeda fra Ritsumeikan University, Japan i en nylig undersøgelse, et nyt antiaromatisk π-stablingssystem, der muliggjorde dannelsen af ​​en stærkt ledende flydende krystal.

Deres resultater blev offentliggjort den 16. april 2024 i tidsskriftet Chemical Science . Artiklen var medforfatter af Prof. Go Watanabe fra Kitasato University, Prof. Shu Seki fra Kyoto University og Prof. Hiroshi Shinokubo fra Nagoya University.

De pågældende rapporterede forbindelser er Ni ^II -koordinerede norkorroler med modificerede aryldele som sidekæder. Tidligere mislykkedes opnåelse af π-stabling i lignende norkorroler, fordi hydrogenbindingsinteraktioner mellem sidekæderne modvirkede den flade-til-flade-stabling af de plane antiaromatiske enheder. Denne gang fik forskerholdet dog en genial idé.

"Vi antog, at introduktionen af ​​side-interagerende dele med mindre retningsbestemthed ville forbedre stablingen mellem norcorrole-enheder," forklarer prof. Maeda. "Således forsøgte vi den simple introduktion af alifatiske kæder, som inducerer van der Waals-interaktioner. Disse interaktioner kan være effektive til at modulere stablestrukturen af ​​et materiale."

Som det fremgår af forskellige eksperimenter og simuleringer af molekylær dynamik, fungerede den foreslåede strategi efter hensigten. Norcorrole-enhederne dannede søjleformede strukturer gennem stablen af ​​arrangementer kendt som "triple-decker". I disse arrangementer er et planariseret molekyle klemt mellem to let skålformede molekyler.

Ved hjælp af det foreslåede molekylære design syntetiserede forskerne derefter flydende krystaller. Takket være den tredobbelte stabling udviste en flydende krystal en bemærkelsesværdig elektrisk ledningsevne såvel som termotropicitet; altså en ordensparameter, der afhænger af temperaturen.

"Styringen af ​​molekylære interaktioner baseret på molekylært design og syntese, som demonstreret i vores undersøgelse, vil være afgørende for fremtidige anvendelser," siger prof. Maeda. "Egenskaber såsom høj elektrisk ledningsevne i flydende krystaller kan bruges til fremstilling af elektroniske enheder. Derudover kan stimuli-responsiv adfærd i bløde materialer bruges til at modulere relevante egenskaber, såsom fotoluminescens, i henhold til tryk og temperatur."

Tilsammen viser resultaterne af denne undersøgelse en lovende strategi for design af nye forbindelser baseret på molekylære samlinger af antiaromatiske enheder. Med lidt held vil dette åbne nye veje for materialedesign, hvilket i sidste ende fører til bedre organisk elektronik, optoelektronik og sensorenheder.

Flere oplysninger: Soh Ishikawa et al, Norcorroles som antiaromatiske π-elektroniske systemer, der danner dimensionskontrollerede samlinger, Chemical Science (2024). DOI:10.1039/D4SC01633E

Journaloplysninger: Kemisk videnskab

Leveret af Ritsumeikan University