Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben nieuwe organische moleculen met een lange spiraalvormige structuur geproduceerd en uitgebreid gekarakteriseerd. In tegenstelling tot eerdere spiraalvormige moleculen, deze langere verbindingen vertonen speciale interacties tussen spoelen die aanleiding kunnen geven tot interessante optische en chemische eigenschappen met toepassingen in lichtpolarisatie, katalyse, en moleculaire bronnen.

Vaak, organische moleculen met unieke 3D-structuren hebben fysisch-chemische eigenschappen die niet in andere soorten verbindingen voorkomen. Helicenen, kettingen van eenvoudige benzeenringen die een spiraalvormige structuur aannemen, zijn een goed voorbeeld. Deze moleculen, die op een veer lijken, hebben interessante toepassingen in de optica en als chemische sensoren of katalysatoren. Echter, het is nog steeds moeilijk om lange helicenen te synthetiseren; de langste ooit gemaakt was zestien benzeenringen lang, wat neerkwam op een spiraalvormige structuur met iets meer dan twee volledige windingen en een half.

In een recente studie gepubliceerd in Chemie — een Europees tijdschrift , een team van wetenschappers van Tokyo Tech heeft dingen door elkaar gehaald door een ander type organisch molecuul met een spiraalvormige structuur te synthetiseren. In tegenstelling tot helicenen, de basiseenheid van hun verbindingen was antraceen, een lineaire keten van drie aromatische ringen. In eerdere werken, het team was erin geslaagd om [3]HA te synthetiseren, wat staat voor "spiraalvormige antraceen met drie antraceen-eenheden." Echter, als professor Shinji Toyota, de corresponderende auteur van de studie, verklaart, "[3]HA was niet lang genoeg om een ​​volledige bocht te bereiken. Daarom, het vertoonde niet enkele van de eigenaardige kenmerken die voortvloeien uit de interacties tussen verschillende 'lagen' van de spiraalvormige structuur in een face-to-face mode."

Met behulp van een zorgvuldig gepland stapsgewijs proces, de wetenschappers slaagden erin om [4]HA en [5]HA te synthetiseren, die ze vervolgens karakteriseerden door middel van een verscheidenheid aan experimenten, ondersteund door theoretische berekeningen. Ze verifieerden de samenstelling en structuur van de verbindingen met behulp van proton-kernmagnetische resonantie en röntgenanalyse. Deze bevindingen werden bevestigd door berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie, een veelgebruikte benadering die wordt gebruikt om kwantummechanische modellen van elektronische en nucleaire structuren te maken.

Vervolgens, de onderzoekers kwantificeerden de stabiliteit van de verschillende spiraalvormige anthracenen door ze te gebruiken in een virtuele chemische reactie die ze veranderde in platte moleculen. interessant, de stabiliteit van 3[HA] was bijna hetzelfde als die van [4]HA en [5]HA. Dit geeft aan dat de destabiliserende krachten die van nature voorkomen in langere moleculaire ketens ([4]HA en [5]HA) feitelijk teniet worden gedaan door de nieuwe face-to-face stabiliserende interacties tussen verschillende helixlagen. Deze interacties tussen gelaagde antraceenresten werden gevisualiseerd door niet-covalente interactie (NCI) -analyse. Het effect van deze nieuwe interacties was ook duidelijk in de foto-emissie-eigenschappen van de langere moleculen; hun emissiebanden bij excitatie hadden een langere levensduur, het benadrukken van het feit dat aangeslagen toestanden langer werden bewaard.

Eindelijk, de wetenschappers verkenden het spiraalvormige inversieproces in de nieuwe, langere verbindingen. Deze inversie verwijst naar het proces van linkshandige spiralen die veranderen in rechtshandige spiralen en vice versa. Sommige aantrekkelijke optische eigenschappen zoals circulaire polarisatie gaan verloren als links- en rechtshandige spiralen in gelijke verhouding aanwezig zijn. Dit motiveerde het team om het stapsgewijze proces te analyseren waarmee elke spiraalvormige structuur van richting verandert.

Algemeen, deze studie biedt het broodnodige inzicht in een nieuw type spiraalvormige molecule. Kijkt al vooruit, Toyota becommentarieert toekomstige werken met deze opwindende verbindingen:"Het blijft een uitdaging om spiraalvormige anthracenen verder uit te breiden en ze te produceren met een enkele spoelrichting, en dat geldt ook voor het testen van hun prestaties als moleculaire bronnen. Ons team werkt momenteel aan het synthetiseren van nog langere moleculen en het uitvoeren van structurele modificaties." Alleen de tijd zal leren wat er in de rij staat voor spiraalvormige structuren wanneer er eindelijk langere opduiken!