Enrollarlas: Sintetizando moléculas orgánicas con una larga estructura helicoidal
Los científicos exploraron el proceso de inversión helicoidal en los nuevos compuestos más largos
Científicos del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) produjeron y caracterizaron ampliamente nuevas moléculas orgánicas con una estructura helicoidal larga. A diferencia de las moléculas helicoidales anteriores, estos compuestos más largos presentan interacciones especiales entre las bobinas que podrían dar lugar a interesantes propiedades ópticas y químicas con aplicaciones en la polarización de la luz, la catálisis y los resortes moleculares.
Las moléculas helicoidales de gran diámetro se simbolizan como un dragón en espiral.
Eiji Tsurumaki, Chemistry-A European Journal Usage Restrictions
A menudo, las moléculas orgánicas con estructuras tridimensionales únicas presentan propiedades fisicoquímicas que no se encuentran en otros tipos de compuestos. Los helicenos, cadenas de anillos bencénicos simples que adoptan una estructura helicoidal, son un buen ejemplo. Estas moléculas, que se asemejan a un muelle, tienen interesantes aplicaciones en óptica y como sensores químicos o catalizadores. Sin embargo, sigue siendo difícil sintetizar helicenos largos; el más largo que se ha fabricado tenía dieciséis anillos de benceno, lo que equivalía a una estructura helicoidal con algo más de dos vueltas y media completas.
En un estudio reciente publicado en Chemistry - A European Journal, un equipo de científicos de la Universidad Tecnológica de Tokio ha dado un giro al sintetizar un tipo diferente de molécula orgánica con estructura helicoidal. A diferencia de los helicenos, la unidad básica de sus compuestos era el antraceno, una cadena lineal de tres anillos aromáticos (véase la figura 1). En trabajos anteriores, el equipo había conseguido sintetizar [3]HA, que significa "antraceno helicoidal con tres unidades de antraceno". Sin embargo, como explica el profesor Shinji Toyota, autor correspondiente del estudio, "[3]HA no era lo suficientemente largo como para alcanzar una vuelta completa. Por lo tanto, no presentaba algunas de las características peculiares que surgen de las interacciones entre las diferentes 'capas' de la estructura helicoidal de forma enfrentada".
Mediante un proceso cuidadosamente planificado paso a paso, los científicos consiguieron sintetizar [4]HA y [5]HA, que procedieron a caracterizar mediante una serie de experimentos respaldados por cálculos teóricos. Verificaron la composición y la estructura de los compuestos mediante resonancia magnética nuclear de protones y análisis de rayos X. Estos hallazgos se confirmaron mediante cálculos de la teoría del funcional de la densidad, un enfoque ampliamente utilizado para hacer modelos mecánicos cuánticos de las estructuras electrónicas y nucleares.
A continuación, los investigadores cuantificaron la estabilidad de los distintos antracenos helicoidales utilizándolos en una reacción química virtual que los convertía en moléculas planas. Curiosamente, la estabilidad de la 3[HA] era casi la misma que la de la [4]HA y la [5]HA. Esto indica que las fuerzas desestabilizadoras que aparecen de forma natural en las cadenas moleculares más largas ([4]HA y [5]HA) se anulan en realidad con las nuevas interacciones estabilizadoras cara a cara entre las diferentes capas helicoidales. Estas interacciones entre las capas de antraceno se visualizaron mediante el análisis de las interacciones no covalentes (NCI) (Figura 32). El efecto de estas nuevas interacciones también se puso de manifiesto en las propiedades de fotoemisión de las moléculas más largas; sus bandas de emisión tras la excitación eran más duraderas, lo que ponía de manifiesto que los estados excitados se conservaban durante más tiempo.
Por último, los científicos exploraron el proceso de inversión helicoidal en los nuevos compuestos más largos. Esta inversión se refiere al proceso de cambio de espirales zurdas a derechas y viceversa. Algunas propiedades ópticas atractivas, como la polarización circular, se pierden si las espirales izquierdas y derechas están presentes en igual proporción. Esto motivó al equipo a analizar el proceso gradual por el que cada estructura helicoidal cambia de dirección.
En general, este estudio proporciona una visión muy necesaria de un nuevo tipo de molécula helicoidal. Mirando ya al futuro, Toyota comenta los futuros trabajos relacionados con estos apasionantes compuestos: "Ampliar los antracenos helicoidales y producirlos con una sola dirección de enrollamiento sigue siendo un reto, al igual que probar su rendimiento como muelles moleculares. Nuestro equipo trabaja actualmente en la síntesis de moléculas aún más largas y en la realización de modificaciones estructurales." Sólo el tiempo dirá lo que les espera a las estructuras helicoidales cuando por fin surjan otras más largas.
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