Figura 1:(a) A órbita do elétron pi e o loop Mobius em compostos orgânicos 4n com propriedades aromáticas Mobius. (b) Estrutura da molécula em forma de anel ([28] hexafirina) que exibe estabilidade por causa de suas propriedades aromáticas Mobius (n =7) em seu estado fundamental. Crédito:Kobe University
Como sugerido por seu nome, As moléculas de Möbius têm uma estrutura de loop torcido, uma característica especial com muitas aplicações potenciais. Uma equipe de pesquisa japonesa revelou as propriedades de um tipo de molécula aromática de Möbius que expressa magnetismo e retém altos níveis de energia quando exposta à luz. Essas características podem ser potencialmente aplicadas em baterias solares orgânicas, luzes, e materiais condutores.
As descobertas foram feitas por uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yasuhiro Kobori (Universidade de Kobe), Professor Atsuhiro Osuka (Universidade de Kyoto), Professor Kazunobu Sato e Professor do Projeto Takeji Takui (Universidade da Cidade de Osaka), e o estudo foi publicado em 10 de maio no Journal of Physical Chemistry Letters .
As moléculas aromáticas de Möbius têm chamado a atenção porque podem ser energizadas pela luz. Quando isso acontece, em seu estado eletronicamente excitado, eles exibem "antiaromaticidade, "caracterizado por altos níveis de energia e alta instabilidade. Este estado excitado pode ser usado no desenvolvimento de dispositivos orgânicos ecológicos, como células solares de película fina orgânica e elementos eletroluminescentes. Contudo, os detalhes por trás do caráter eletrônico desse estado e suas propriedades anti-aromáticas permaneceram obscuros.
Neste estudo, o grupo aplicou um método de ressonância paramagnética de elétrons resolvido no tempo que usa microondas e eletroímãs para detectar as propriedades magnéticas de um intermediário reativo. Eles observaram o estado tripleto excitado de uma molécula aromática de Möbius [28] hexafirina. Iluminando esta hexafirina com pulsos de laser, eles detectaram a ressonância entre o micro-ondas e os spins do elétron ligados ao magnetismo do estado tripleto excitado e ao campo magnético externo como um instantâneo com uma precisão de 10 milhões de partes por segundo após cada pulso de laser.
Figura 2:(a) O espectro de ressonância paramagnética de elétrons resolvidos no tempo (TREPR) para o estado de tripleto excitado obtido de [28] hexafirina observado em vários tempos de retardo. A e E mostram os sinais (polarização do spin do elétron) com base na absorção e liberação de microondas. À esquerda, os elétrons são excitados pela luz despolarizada. B 0 e (L) mostram a luz paralela ao campo magnético externo e perpendicular ao campo magnético externo. (b) A distribuição dos orbitais desemparelhados (π e π *) que expressam as direções dos eixos principais (X, Y, Z) para interação entre os dipolos elétricos desemparelhados mostrados por análise de espectro de TREPR. (c) Os elétrons no estado de transferência de carga tripleto. As configurações paralelas de giro tripleto são mostradas na faixa de Mobius. Este estudo mostrou que a mudança do momento angular entre os orbitais de elétrons localizados e bissecionando um ao outro leva a uma desativação para o estado fundamental não magnético, e é um novo marcador de antiaromaticidade. Crédito:Kobe University
Eles também mudaram o ângulo de polarização do pulso de laser em relação à direção do campo magnético externo. Isso permitiu que eles esclarecessem a localização tridimensional do spin tripleto, além de tirar 10 milhões de "instantâneos" por segundo do processo de desativação nos subníveis do trigêmeo. A análise revelou que as moléculas de anel torcido possuem um caráter de "transferência de carga" que libera e localiza a carga em ângulos retos entre os orbitais. A transferência de carga bloqueia o efeito estabilizador causado pela interação de troca entre os elétrons, contribuindo assim para a energia mais alta para fornecer a fonte das fortes propriedades anti-aromáticas da molécula.
As distribuições de elétrons no presente estado tripleto são muito diferentes daquelas nas espécies de estado singlete excitado, que não exibe magnetismo. Este estudo demonstrou que cada distribuição de elétrons está localizada em uma parte da estrutura do anel da molécula. Eles também mostraram que a mudança do momento angular orbital entre os orbitais localizados no estado tripleto leva a uma rápida desativação de um subnível para o estado fundamental. Essas relações ortogonais de ângulos orbitais só aparecem na topologia torcida de Möbius, o que significa que o processo de desativação pode oferecer novas ferramentas para indexar o caráter anti-aromático e para analisar a geometria do estado excitado.
O professor Kobori comenta, "As propriedades eletrônicas especiais deste estado excitado altamente ativo podem ser aplicadas em materiais eletrônicos funcionais, como células solares orgânicas e condutores elétricos, e pode contribuir potencialmente para a solução de questões ambientais e de energia. "
