Figur 1:(a) Pi-elektronbana och Mobius-loop i 4n organiska föreningar med Mobius aromatiska egenskaper. (b) Struktur av den ringformade molekylen ([28] hexafyrin) som uppvisar stabilitet på grund av dess Mobius aromatiska egenskaper (n =7) i dess grundtillstånd. Upphovsman:Kobe University
Som föreslås av deras namn, Möbius -molekyler har en vriden loopstruktur, en speciell egenskap med många potentiella tillämpningar. Ett japanskt forskargrupp har avslöjat egenskaperna hos en typ av Möbius aromatisk molekyl som uttrycker magnetism och behåller höga energinivåer när de utsätts för ljus. Dessa egenskaper kan eventuellt tillämpas i organiska solbatterier, ljus, och ledande material.
Resultaten gjordes av ett forskargrupp som leds av professor Yasuhiro Kobori (Kobe University), Professor Atsuhiro Osuka (Kyoto universitet), Professor Kazunobu Sato och projektprofessor Takeji Takui (Osaka City University), och studien publicerades den 10 maj i Journal of Physical Chemistry Letters .
Möbius aromatiska molekyler har uppmärksammats eftersom de kan drivas av ljus. När detta händer, i sitt elektroniskt upphetsade tillstånd uppvisar de "antiaromaticitet, "kännetecknas av höga energinivåer och hög instabilitet. Detta upphetsade tillstånd kan användas vid utveckling av miljövänliga organiska enheter, såsom organiska tunnfilms solceller och elektroluminescerande element. Dock, detaljerna bakom den elektroniska karaktären hos detta tillstånd och dess antiaromatiska egenskaper förblev oklara.
I den här studien, gruppen tillämpade en tidsupplöst elektronparamagnetisk resonansmetod som använder mikrovågor och elektromagneter för att detektera de magnetiska egenskaperna hos en reaktiv mellanprodukt. De observerade det upphetsade triplettillståndet för en Möbius aromatisk molekyl [28] hexafyrin. Upplyser denna hexafyrin med laserpulser, de upptäckte resonansen mellan mikrovågsugnen och elektronsnurrorna kopplade till magnetismen i det exciterade triplettillståndet och till det yttre magnetfältet som en ögonblicksbild med en noggrannhet på 10 miljoner delar i sekunden efter varje laserpuls.
Figur 2:(a) Det tidsupplösta elektronparamagnetiska resonansspektrumet (TREPR) för det exciterade triplettillståndet som erhållits från [28] hexafyrin observerat vid flera fördröjningstider. A och E visar signalerna (elektronspinnspolarisering) baserat på absorption och frigöring av mikrovågor. Till vänster, elektroner exciteras av depolariserat ljus. B 0 och (L) visar ljuset parallellt med det yttre magnetfältet och vinkelrätt mot det yttre magnetfältet. (b) Fördelningen av de orparade orbitalerna (π och π*) som uttrycker huvudaxlarnas riktningar (X, Y, Z) för interaktion mellan de oparade elektriska dipolerna som visas med TREPR -spektrumanalys. (c) Elektronerna i triplet laddningsöverföringstillstånd. Parallella tripletspinnkonfigurationer visas i Mobius -remsan. Denna studie visade att vinkelmomentförändringen mellan de elektronorbitaler som är lokaliserade och halverar varandra leder till en inaktivering av det icke-magnetiska jordtillståndet, och är en ny markör för antiaromaticitet. Upphovsman:Kobe University
De ändrade också polarisationsvinkeln för laserpulsen i förhållande till det yttre magnetfältets riktning. Detta gjorde det möjligt för dem att klargöra den tredimensionella platsen för tripletspinnet, samt att ta 10 miljoner "ögonblicksbilder" en sekund av inaktiveringsprocessen på undernivåer av tripletten. Deras analys avslöjade att vridna ringmolekyler har en "laddningsöverföring" -karaktär som frigör och lokaliserar laddningen i rät vinkel mellan orbitalerna. Laddningsöverföringen blockerar den stabiliserande effekten som orsakas av utbytesinteraktionen mellan elektronerna, vilket bidrar till den högre energin för att ge källan till molekylens starka antiaromatiska egenskaper.
Elektronfördelningarna i föreliggande triplettillstånd skiljer sig mycket från de hos de exciterade singlettillståndsarter som inte uppvisar magnetism. Denna studie visade att varje elektronfördelning är lokaliserad i en del av molekylens ringramverk. De visade också att förändring av den orbitala vinkelmomentet mellan de lokaliserade orbitalerna i tripletttillståndet leder till en snabb inaktivering av en delnivå till grundtillståndet. Dessa ortogonala orbitalvinkelrelationer förekommer endast i den vridna Möbius -topologin, vilket innebär att avaktiveringsprocessen kan erbjuda nya verktyg för indexering av antiaromatisk karaktär och för att analysera geometri för upphetsad tillstånd.
Professor Kobori kommenterar, "De speciella elektroniska egenskaperna hos detta mycket aktiva upphetsade tillstånd kan appliceras i elektroniska funktionella material, såsom organiska solceller och elektriska ledare, och kan eventuellt bidra till lösningen av energi- och miljöfrågor. "
