Fluorescerende aromatische nanobanden met unieke grootte-afhankelijke eigenschappen

Een nieuw type aromatische nanoband, met methyleenbrug [n]cycloparafenyleen ([n]MCPP), is gesynthetiseerd en de eigenschappen ervan zijn opgehelderd door onderzoekers van het Institute of Transformative Bio-molecules (WPI-ITbM) aan de Universiteit van Nagoya in Japan, in samenwerking met onderzoekers van de Università degli Studi di Salerno in Italië en de Universiteit van Nevada in de VS

De productie van cyclische moleculaire nanokoolstoffen zoals koolstof nanoringen (CNR’s) en koolstof nanobanden (CNB’s) is een opkomend onderwerp in de chemie. [n]Cycloparafenyleen ([n]CPP) was de eerste CNR en heeft de afgelopen tien jaar de chemie van cyclische moleculaire nanokoolstoffen gedomineerd. CPP’s vertonen unieke grootte-afhankelijke eigenschappen in hun spanningsenergieën, dihedrale hoeken tussen aangrenzende fenyleeneenheden, hoogst bezette moleculaire orbitaal – laagste onbezette moleculaire orbitaal (HOMO-LUMO) opening, maximale fluorescentiegolflengte, fluorescentiekwantumefficiëntie en gastinkapselende eigenschappen. In vergelijking met CNR’s hebben CNB’s met gefuseerde benzeenringen stijvere cyclische structuren met een aanzienlijk hogere spanningsenergie.

Nu heeft een team onder leiding van professor Kenichiro Itami (hij/hem) en aangewezen universitair hoofddocent Akiko Yagi (zij/haar) van ITbM, Nagoya University, methyleen-gebrugde [n]cycloparapenylenen ([n]MCPP’s, n = 6, 8, 10); nanobanden met vijfledige benzeenringen overbrugd door methyleeneenheden. De sleutel tot een succesvolle synthese is het gebruik van pijlers[n]arenes, die in de handel verkrijgbare cyclische aromatische moleculen zijn, als voorlopers om de nanobelt-structuur te construeren door middel van een intramoleculaire koppelingsreactie.

Onderzoek wees uit dat MCPP’s verschillende eigenschappen vertonen, afhankelijk van hun ringmaat. Naarmate de ring groter wordt, wordt zichtbaar UV-licht geabsorbeerd bij langere golflengten. Dit in tegenstelling tot CPP’s, waarvan de spectra onafhankelijk zijn van de ringmaat. [6]MCPP vertoont bijna geen fluorescentie, [8]MCPP fluoresceert oranje en [10]MCPP fluoresceert geelgroen. De fluorescentiewaarden zijn erg hoog voor koolstof nanobanden, wat suggereert dat grote geringde MCPP’s kunnen worden gebruikt als fluorescerende nanobanden, iets dat nog nooit eerder is gezien.

Eerdere theoretische studies hebben dat voorspeld [6]MCPP vertoont een sterke “paratropische riemstroom” door het hele molecuul. In samenwerking met onderzoeksgroepen in Italië en de VS verduidelijkte de ITbM-onderzoeksgroep dat de stroom van de paratropische riem door de MCPP afneemt naarmate de ring groter wordt, met behulp van zowel computationele als experimentele studies. Deze eigenschap werd voor het eerst opgehelderd door de synthese van [8]MCPP en [10]MCPP, en deze ontdekking heeft belangrijke implicaties voor de studie van de magnetische eigenschappen van aromatische nanobanden. Het team is van plan door te gaan met de synthese van MCPP’s van andere afmetingen om een ​​nieuw gebied van nanobelt-wetenschap te openen.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society.