Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) producerade och karakteriserade nya organiska molekyler med lång spiralstruktur. Till skillnad från tidigare spiralformiga molekyler, dessa längre föreningar uppvisar speciella interaktioner mellan spolar som kan ge upphov till intressanta optiska och kemiska egenskaper med tillämpningar inom ljuspolarisering, katalys, och molekylära fjädrar.

Oftare än sällan, Organiska molekyler med unika 3D-strukturer har fysikalisk-kemiska egenskaper som inte kan hittas i andra typer av föreningar. Helicenes, kedjor av enkla bensenringar som antar en spiralformad struktur, är ett bra exempel. Dessa molekyler, som liknar en fjäder, har intressanta tillämpningar inom optik och som kemiska sensorer eller katalysatorer. Dock, det är fortfarande svårt att syntetisera långa helicener; den längsta som någonsin gjorts var sexton bensenringar långa, vilket uppgick till en spiralformad struktur med något mer än två hela och ett halvt varv.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Kemi—A European Journal , ett team av forskare vid Tokyo Tech blandade ihop saker genom att syntetisera en annan typ av organisk molekyl med en spiralformad struktur. Till skillnad från helicener, grundenheten för deras föreningar var antracen, en linjär kedja av tre aromatiska ringar. I tidigare arbeten, teamet hade lyckats syntetisera [3]HA, som står för "helical anthracene with three anthracene units." Dock, som professor Shinji Toyota, motsvarande författare till studien, förklarar, "[3]HA var inte tillräckligt lång för att nå en hel sväng. Därför, den uppvisade inte några av de märkliga egenskaper som uppstår från interaktioner mellan olika "lager" av den spiralformade strukturen på ett ansikte mot ansikte sätt."

Genom att använda en noggrant planerad steg-för-steg-process, forskarna lyckades syntetisera [4]HA och [5]HA, som de fortsatte med att karakterisera genom en mängd olika experiment med stöd av teoretiska beräkningar. De verifierade sammansättningen och strukturen av föreningarna med hjälp av protonkärnmagnetisk resonans och röntgenanalys. Dessa fynd bekräftades genom densitetsfunktionella teoriberäkningar, en allmänt använd metod som används för att göra kvantmekaniska modeller av elektroniska och nukleära strukturer.

Sedan, forskarna kvantifierade stabiliteten hos de olika spiralformade antracenerna genom att använda dem i en virtuell kemisk reaktion som förändrade dem till platta molekyler. Intressant, stabiliteten för 3[HA] var nästan densamma som den för [4]HA och [5]HA. Detta indikerar att de destabiliserande krafterna som naturligt uppträder i längre molekylkedjor ([4]HA och [5]HA) faktiskt upphävdes med den nya stabiliserande interaktionen ansikte mot ansikte mellan olika spiralformade lager. Dessa interaktioner mellan skiktad antracendel visualiserades genom analys av icke-kovalent interaktion (NCI). Effekten av dessa nya interaktioner var också uppenbar i fotoemissionsegenskaperna hos de längre molekylerna; deras emissionsband vid excitering var längre, belyser det faktum att exciterade tillstånd bevarades längre.

Till sist, forskarna utforskade den spiralformade inversionsprocessen i den nya, längre föreningar. Denna inversion hänvisar till processen med vänsterhänta spiraler som förändras till högerhänta och vice versa. Vissa attraktiva optiska egenskaper såsom cirkulär polarisation går förlorade om vänster- och högerhänta spiraler är närvarande i lika stora proportioner. Detta motiverade teamet att analysera den stegvisa process genom vilken varje spiralformad struktur ändrar riktning.

Övergripande, denna studie ger en välbehövlig insikt i en ny typ av spiralformad molekyl. Ser redan framåt, Toyota kommenterar framtida arbeten som involverar dessa spännande föreningar:"Att utöka spiralformade antracener ytterligare och producera dem med en enda lindningsriktning är fortfarande en utmaning, och så testar deras prestanda som molekylära fjädrar. Vårt team arbetar för närvarande med att syntetisera ännu längre molekyler och utföra strukturella modifieringar." Bara tiden kommer att utvisa vad som ligger i linje med spiralformade strukturer när längre äntligen dyker upp!