Химики создают органические молекулы в цветах радуги | Новости Массачусетского технологического института

Цепочки сплавленных углеродсодержащих колец обладают уникальными оптоэлектронными свойствами, которые делают их полезными в качестве полупроводников. Эти цепочки, известные как ацены, также можно настроить на излучение света разных цветов, что делает их хорошими кандидатами для использования в органических светодиодах.

Цвет света, излучаемого аценом, определяется его длиной, но по мере того, как молекулы становятся длиннее, они также становятся менее стабильными, что препятствует их широкому использованию в светоизлучающих приложениях.

Химики Массачусетского технологического института теперь придумали способ сделать эти молекулы более стабильными, что позволяет им синтезировать ацены различной длины. Используя свой новый подход, они смогли создать молекулы, излучающие красный, оранжевый, желтый, зеленый или синий свет, что могло бы облегчить использование аценов в различных приложениях.

«У этого класса молекул, несмотря на их полезность, есть проблемы с точки зрения профиля реакционной способности», — говорит Роберт Гиллиард, доцент кафедры химии Novartis в Массачусетском технологическом институте и старший автор нового исследования. «В этом исследовании мы пытались решить, во-первых, проблему стабильности, а во-вторых, мы хотели создать соединения, в которых можно было бы иметь настраиваемый диапазон светового излучения».

Ученый-исследователь Массачусетского технологического института Чун-Лин Дэн является ведущим автором исследования. бумагакоторый появляется сегодня в Природная химия.

Красочные молекулы

Ацены состоят из молекул бензола — колец, состоящих из углерода и водорода, — слитых вместе линейным образом. Поскольку они богаты общими электронами и могут эффективно переносить электрический заряд, их использовали в качестве полупроводников и полевых транзисторов (транзисторов, которые используют электрическое поле для управления потоком тока в полупроводнике).

Недавние работы показали, что ацены, в которых некоторые атомы углерода заменены или «допированы» бором и азотом, обладают еще более полезными электронными свойствами. Однако, как и традиционные ацены, эти молекулы нестабильны под воздействием воздуха или света. Часто ацены приходится синтезировать в герметичном контейнере, называемом перчаточным ящиком, чтобы защитить их от воздействия воздуха, что может привести к их разрушению. Чем длиннее ацены, тем более они восприимчивы к нежелательным реакциям, инициируемым кислородом, водой или светом.

Чтобы попытаться сделать ацены более стабильными, Жильяр решил использовать лиганд, с которым ранее работала его лаборатория, известный как карбодикарбены. В исследовании, опубликованном в прошлом году, они использовали этот лиганд для стабилизации ионы борафторенияорганические соединения, которые могут излучать разные цвета света в ответ на изменения температуры.

Для этого исследования Жильяр и его соавторы разработали новый синтез, который позволил им добавлять карбокарбены к аценам, которые также легированы бором и азотом. С добавлением нового лиганда ацены стали положительно заряженными, что улучшило их стабильность, а также придало им уникальные электронные свойства.

Используя этот подход, исследователи создали ацены, которые окрашиваются в разные цвета в зависимости от их длины и типов химических групп, присоединенных к карбодикарбену. До сих пор большинство синтезированных аценов, легированных бором и азотом, могли излучать только синий свет.

«Красное излучение очень важно для широкого спектра применений, включая биологические приложения, такие как визуализация», — говорит Жильяр. «Многие ткани человека излучают синий свет, поэтому для визуализации сложно использовать сине-флуоресцентные зонды, что является одной из многих причин, по которым люди ищут красные излучатели».

Лучшая стабильность

Еще одной важной особенностью этих аценов является то, что они остаются стабильными как на воздухе, так и в воде. Борсодержащие заряженные молекулы с низким координационным числом (то есть у центрального атома бора мало соседей) часто очень нестабильны в воде, поэтому стабильность аценов в воде заметна и может сделать возможным их использование для визуализации и других медицинских приложений. .

«Одна из причин, почему нас так волнует класс соединений, о которых мы сообщаем в этой статье, заключается в том, что они могут быть суспендированы в воде. Это открывает широкий спектр возможностей», — говорит Жильяр.

Теперь исследователи планируют попробовать включить различные типы карбокарбенов, чтобы посмотреть, смогут ли они создать дополнительные ацены с еще большей стабильностью и квантовой эффективностью (показатель того, сколько света излучается материалом).

«Мы думаем, что можно будет создать множество различных производных, которые мы еще даже не синтезировали», — говорит Жильяр. «Есть множество оптоэлектронных свойств, которые нам еще предстоит изучить, и мы тоже в восторге от этого».

Жильяр также планирует работать с Марком Бальдо, профессором электротехники Массачусетского технологического института, чтобы попытаться включить новые ацены в тип солнечных элементов, известных как солнечные элементы на основе одиночного деления. Этот тип солнечного элемента может производить два электрона из одного фотона, что делает элемент намного более эффективным.

По словам Жильярда, эти типы соединений также могут быть разработаны для использования в качестве светодиодов для телевизионных и компьютерных экранов. Органические светодиоды легче и гибче традиционных светодиодов, создают более яркое изображение и потребляют меньше энергии.

«Мы все еще находимся на самых ранних стадиях разработки конкретных приложений, будь то органические полупроводники, светоизлучающие устройства или солнечные элементы на основе синглетного деления, но из-за их стабильности изготовление устройств должно быть намного более плавным, чем обычно. для такого рода соединений», — говорит Гиллиард.

«Эта творческая работа с нетрадиционной парадигмой, объединяющая реактивный нульвалентный углерод и катионные формы бора, безусловно, прокладывает многообещающий путь к разработке высоковоздушных и фотостабильных светоизлучающих материалов и миниатюрных устройств для сбора энергии», — говорит Тиоу-Ган Онг. , заместителя директора Института химии Академии Синика в Китае, который не принимал участия в исследовании.

Исследование финансировалось Фондом Арнольда и Мейбл Бекман и Программой крупных исследовательских инструментов Национального научного фонда.