Forskerhold udvikler antiaromatiske molekyler, der udviser absorptions- og fluorescensbånd i nær-infrarødt område

En forskergruppe ledet af lektor Masahito Murai fra Graduate School of Science og professor Shigehiro Yamaguchi fra Functional Organic Materials Laboratory har med succes udviklet antiaromatiske molekyler, der udviser absorptions- og fluorescensbånd i den nær-infrarøde (NIR) region, en region, der er vigtigt for medicinsk udstyr.

Deres resultater, offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , foreslå ansøgninger til fremme af områderne sundhedspleje, optoelektronik og materialevidenskab.

Absorption og fluorescens er grundlæggende forskningsemner inden for spektroskopi, et felt, der udforsker samspillet mellem lys og stof. Disse fotofysiske egenskaber er afgørende for at forstå, hvordan molekyler og materialer opfører sig, når de udsættes for lys.

Et absorptionsbånd repræsenterer det specifikke område af bølgelængder, hvor et materiale absorberer lys, hvilket får elektroner i molekylerne eller atomerne til at overgå til højere energitilstande. Fluorescensbånd er derimod relateret til udsendelsen af ​​lys fra et stof, der tidligere har absorberet lys, hvor det udsendte lys har en længere bølgelængde end det absorberede lys.

Betydningen af ​​denne forskning ligger i udviklingen af ​​organiske molekyler, der udsender lys i NIR-regionen, specifikt bølgelængder mellem 800 og 1100 nm. Denne region, kendt som "det optiske vindue af levende væv," tilbyder unikke fordele i medicinske applikationer, herunder dyb biologisk billeddannelse, fotodynamisk terapi og fototermisk terapi. NIR-lys kan trænge dybere ind i væv med reduceret spredning og minimal fotoskader, hvilket gør det til et uvurderligt værktøj inden for sundhedspleje og biovidenskabelig forskning.

"Organiske molekyler, der udviser absorptions- og emissionsegenskaber i det nær-infrarøde område, er i stor efterspørgsel efter optoelektroniske materialer i sundhedsapplikationer og fluorescensbilleddannelse, såsom fluorescerende prober til dyb biologisk billeddannelse, fotodynamisk terapi og fototermisk terapi," forklarede Murai.

"Men konventionelle farvestoffer lider ofte af nedsat opløselighed og øget lipofilicitet på grund af de stærke vekselvirkninger mellem stort set udvidede π-elektronsystemer. Disse problemer gør det vanskeligt at støbe og bearbejde molekylerne til brug som elektroniske materialer og at anvende dem til biologisk billeddannelse. "

Nøglen til holdets succes ligger i fusionen af ​​thiophen, en mindre aromatisk heterocyklisk ring, med azepin. Denne fusionerede ringstruktur afbalancerede effektivt antiaromatiske og polymethin-karakterer for at gøre elektroniske overgange af antiaromatiske forbindelser mere tilbøjelige til at forekomme, og som et resultat muliggør erhvervelsen af ​​absorptions- og fluorescensbølgelængder i NIR-regionen. Dette gennembrud rummer potentialet til at føre til skabelsen af ​​forskellige NIR-luminescerende materialer.

Holdet designede og syntetiserede en række azepinderivater med elektronaccepterende grupper og brugte enkeltkrystal røntgenstrukturanalyse til at afsløre betydelige strukturelle forskelle mellem dem.

Mens den buede dibenzoazepin udviste absorption og fluorescens ved kortere bølgelængder, udviste den meget plane dithienoazepin-analog absorption og fluorescens ved bølgelængder længere end 700 nm. Den molekylære rammes anvendelighed blev yderligere demonstreret ved at syntetisere et dithienoazepin med kationiske indoliumgrupper, som udviste et stærkt absorptionsbånd ved 846 nm og et smalt fluorescensbånd ved 878 nm.

Samlet set introducerer deres forskning en lovende vej til udvikling af materialer med stærke absorptions- og fluorescensegenskaber i NIR-området. Dithienoazepin var en nyttig kerne, der kunne opnå langbølgelængdeabsorption og emission på trods af dets lille tricykliske skelet.

Anvendelsespotentialet spænder over en bred vifte af felter, herunder fluorescensbilleddannelse, sensing og materialevidenskab, med et særligt fokus på dybe vævsbilleddannelse og ikke-invasiv diagnostik, hvilket fremhæver Nagoya Universitys forpligtelse til at skubbe grænserne for videnskab og innovation for at forbedre sundheden pleje ved hjælp af banebrydende teknologi.

Flere oplysninger: Masahito Murai et al., Dithienoazepin-Based Near-Infrared Dyes:Janus-Faced Effects of a Thiophene-Fused Structure on Antiaromatic Azepines, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202311445

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition

Leveret af Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), Nagoya University