Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno prodotto e caratterizzato ampiamente nuove molecole organiche con una lunga struttura elicoidale. A differenza delle precedenti molecole elicoidali, questi composti più lunghi mostrano interazioni speciali tra le bobine che potrebbero dare origine a interessanti proprietà ottiche e chimiche con applicazioni nella polarizzazione della luce, catalisi, e molle molecolari.

Più spesso che non, molecole organiche con strutture 3-D uniche hanno proprietà fisico-chimiche che non possono essere trovate in altri tipi di composti. Helicenes, catene di semplici anelli benzenici che adottano una struttura elicoidale, sono un buon esempio. Queste molecole, che somigliano a una primavera, hanno interessanti applicazioni in ottica e come sensori chimici o catalizzatori. Però, è ancora difficile sintetizzare lunghe elicheni; il più lungo mai realizzato era lungo sedici anelli di benzene, che ammontava a una struttura elicoidale con poco più di due giri completi e mezzo.

In un recente studio pubblicato su Chimica:una rivista europea , un team di scienziati della Tokyo Tech ha mescolato le cose sintetizzando un diverso tipo di molecola organica con una struttura elicoidale. A differenza delle elicheni, l'unità di base dei loro composti era l'antracene, una catena lineare di tre anelli aromatici. Nei lavori precedenti, il team è riuscito a sintetizzare [3]HA, che sta per "antracene elicoidale con tre unità di antracene". Però, nel ruolo del professor Shinji Toyota, il corrispondente autore dello studio, spiega, "[3]HA non era abbastanza lungo per raggiungere un giro completo. Pertanto, non mostrava alcune delle caratteristiche peculiari che derivano dalle interazioni tra i diversi 'strati' della struttura elicoidale in modo faccia a faccia."

Utilizzando un processo passo-passo attentamente pianificato, gli scienziati sono riusciti a sintetizzare [4]HA e [5]HA, che hanno proceduto a caratterizzare attraverso una varietà di esperimenti supportati da calcoli teorici. Hanno verificato la composizione e la struttura dei composti utilizzando la risonanza magnetica nucleare protonica e l'analisi a raggi X. Questi risultati sono stati confermati attraverso calcoli della teoria del funzionale della densità, un approccio ampiamente utilizzato per realizzare modelli di meccanica quantistica di strutture elettroniche e nucleari.

Quindi, i ricercatori hanno quantificato la stabilità dei diversi antracene elicoidali utilizzandoli in una reazione chimica virtuale che li ha trasformati in molecole piatte. interessante, la stabilità di 3[HA] era quasi uguale a quella di [4]HA e [5]HA. Ciò indica che le forze destabilizzanti che appaiono naturalmente nelle catene molecolari più lunghe ([4]HA e [5]HA) in realtà si sono annullate con le nuove interazioni stabilizzanti faccia a faccia tra i diversi strati elicoidali. Queste interazioni tra la porzione di antracene a strati sono state visualizzate mediante analisi di interazione non covalente (NCI). L'effetto di queste nuove interazioni era evidente anche nelle proprietà di fotoemissione delle molecole più lunghe; le loro bande di emissione all'eccitazione erano più longeve, evidenziando il fatto che gli stati eccitati si sono conservati più a lungo.

Finalmente, gli scienziati hanno esplorato il processo di inversione elicoidale nel nuovo, composti più lunghi. Questa inversione si riferisce al processo delle spirali mancine che si trasformano in spirali destrorse e viceversa. Alcune proprietà ottiche attraenti come la polarizzazione circolare vengono perse se le spirali destrorse e sinistre sono presenti in egual proporzione. Ciò ha motivato il team ad analizzare il processo graduale mediante il quale ogni struttura elicoidale cambia direzione.

Globale, questo studio fornisce alcune informazioni tanto necessarie su un nuovo tipo di molecola elicoidale. già guardando avanti, Toyota commenta i lavori futuri che coinvolgono questi eccitanti composti:"Estendere ulteriormente gli antracene elicoidali e produrli con un'unica direzione di avvolgimento rimane una sfida, e così fa testare le loro prestazioni come molle molecolari. Il nostro team sta attualmente lavorando alla sintesi di molecole ancora più lunghe e all'esecuzione di modifiche strutturali." Solo il tempo dirà cosa è in linea per le strutture elicoidali quando finalmente sorgeranno quelle più lunghe!