Si prevede che i carboeliceni 3D π-estesi di ordine superiore, un tipo di elicina, diventino eccellenti emettitori CPL grazie alla loro elevata polarizzazione circolare, luminosità e stabilità. Tuttavia, queste eccezionali proprietà dei carboeliceni non possono essere sfruttate completamente a causa della loro struttura altamente distorta, che ne ostacola sia la sintesi che l’enantiocontrollo, ovvero il controllo della composizione enantiomerica o della quantità di versione levogira o levogira di una molecola prodotta in un reazione.

Per garantire che l'intera gamma di proprietà dei carboeliceni sia accessibile per l'applicazione, un team di ricercatori guidati dal professor Ken Tanaka del Tokyo Institute of Technology ha recentemente ideato una nuova strategia che facilita la sintesi enantioselettiva di carbo 3D π-esteso[11] e [ 13]eliceni per gli emettitori CPL e loro sintesi enantioselettiva con distorsioni ridotte.

Nel loro studio del 2022, il team ha riportato la sintesi enantioselettiva catalizzata da Rh di un carbo[6]elicene a base di esabenzocoronene tramite cicloaddizione intramolecolare [2+2+2] di un triino seguita da un'estensione π mediante la reazione di Scholl.

"Abbiamo osservato che anche se questo processo superava gli inconvenienti dei processi di sintesi convenzionali, come reazioni di riarrangiamento indesiderate e bassa regioselettività, sfortunatamente, la distorsione molecolare era ancora piuttosto elevata. Imparando da queste osservazioni, abbiamo progettato una strategia per superare le elevate distorsioni e migliorare le emissioni CPL," spiega Tanaka.

Per questa Sintesi della Natura studio, il team ha effettuato una sintesi enantioselettiva di carbo[11] e [13]eliceni con un rapporto enantiomerico di 87:13 e ha superato le elevate distorsioni combinando la sintesi enantioselettiva di carbo[5] e [6]eliceni con tripli [2+ 2+2] cicloaddizione, seguita dall'estensione π/riduzione del diametro dell'elica mediante la reazione di Scholl.

Il vantaggio principale del processo di costruzione graduale di una struttura portante di carboelicene 3D estesa con π completamente ortofusa è che supera gli inconvenienti associati sia alla cicloaddizione enantioselettiva [2+2+2] che alla reazione di Scholl.

Per esplorare le proprietà del materiale sintetizzato, il team ha effettuato analisi cristallografiche a raggi X, che hanno rivelato che i carbo[11] e [13] 3D π-estesi con scheletri molecolari rigidi erano conglomerati che favorivano la cristallizzazione preferenziale. Inoltre, le forze molecolari più prevalenti tra gli strati di carboelicene erano le interazioni di van der Waals.

Dopo aver testato le proprietà fotofisiche dei carbo[11] e [13]eliceni π-estesi sintetizzati, il team ha scoperto che la luminosità CPL raggiungeva un massimo di 513 M ^–1 cm ^–1 , uno dei valori più alti tra i derivati ​​dell'elicene riportati in letteratura.

Nel complesso, questo nuovo approccio alla progettazione molecolare e alla sintesi enantioselettiva può fornire una solida base per ulteriori ricerche e sviluppo di carboeliceni ad alte prestazioni per gli emettitori CPL del futuro.

"Il nostro studio ha aperto nuove strade per la produzione e l'adozione di emettitori CPL basati su molecole organiche chirali, con applicazioni che vanno dai display digitali all'avanguardia alle reti di comunicazione efficienti e ai progressi biotecnologici essenziali", conclude Tanaka.