La réactivité radicale des molécules aromatiques 9-phosphaanthracènes est difficile à analyser par les techniques conventionnelles en raison de leur courte durée de vie.
Pour surmonter cet obstacle analytique, une équipe de scientifiques de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) dirigée par le Dr Shigekazu Ito a eu recours à la spectroscopie de résonance/rotation de spin du muon et à des calculs de théorie du champ de densité pour explorer le mouvement moléculaire du 10-mésityl-1. ,8-bis(trifluorométhyl)-9-phosphaanthracène. Cette idée peut aider les scientifiques à manipuler leurs propriétés chimiques selon les exigences de l’application.
Image : Koshino et al. (2021)
L’anthracène est un composé organique solide dérivé de la distillation du goudron de houille. Outre son utilisation comme colorant rouge, il a également été utilisé dans le domaine de la conception de matériaux nanographènes, car il présente d’excellentes propriétés électroniques et électroluminescentes. L’un de ses dérivés appelé 9-phosphaanthracène a été largement étudié depuis des décennies en raison de sa réactivité radicale. Cette activité confère aux 9-phosphaanthracènes des propriétés chimiques attrayantes telles qu’une activité redox, une bioactivité et une combustibilité respectueuses de l’environnement.
Pendant très longtemps, les 9-phosphaanthracènes substitués synthétisés étaient très instables chimiquement jusqu’à très récemment lorsque le 10-mésityl-1,8-bis(trifluorométhyl)-9-phosphaanthracène tolérant à l’air a été préparé. Le nouveau composé stable a montré une excellente réactivité radicalaire et a depuis été utilisé pour comprendre la photoémission et les propriétés cristallines des matériaux.
Cependant, on ne sait pas grand-chose sur la nature des réactions radicalaires qui se produisent dans ce nouveau et prometteur 9-phosphaanthracène substitué. La courte durée de vie de l’espèce radicalaire transitoire et la réaction secondaire non analysable rendent très difficile l’analyse de sa structure par les techniques spectroscopiques et physico-chimiques classiques.
Dans une étude récente publiée dans Angewandte Chemie International Edition, une équipe de chercheurs du Tokyo Institute of Technology dirigée par le professeur agrégé Dr. Shigekazu Ito a trouvé une solution pour surmonter ce problème. Ils ont utilisé des simulations de rotation/résonance du spin du muon (μSR) et de la théorie des champs de densité (DFT) pour comprendre la structure squelettique du 10-mésityl-1,8-bis(trifluorométhyl)-9-phosphaanthracène. Comme l’explique le Dr Ito, « la spectroscopie de résonance/rotation de spin des muons est un outil très sensible et puissant lorsqu’il s’agit d’analyser des systèmes moléculaires organiques à courte durée de vie. Combinée à la puissance de la modélisation informatique, cette technologie nous permet de regarder des choses qui étaient auparavant difficiles à observer. »
Dans les expériences spectroscopiques, la substance organique, qui est un isolant par nature, a pu interagir avec des muons positifs (μ+) générés par un accélérateur de protons à haute énergie. En frappant le 9-phosphaanthracène, les muons ont absorbé des électrons de l’échantillon pour former du muonium (μ+e–), qui est un isotope de l’hydrogène. L’ajout du substitut d’hydrogène a provoqué une faible attraction des molécules vers le champ magnétique requis pour μSR. Les mesures ont indiqué l’ajout de muonium à l’atome de phosphore dans la structure d’une manière régiosélective (ce qui signifie la préférence d’un site de réaction par rapport à un autre).
L’équipe a également effectué des simulations DFT suggérant la présence de deux structures différentes de la même molécule. Un seul d’entre eux était censé être stable. Ces calculs ont également mis en lumière des mouvements moléculaires sans précédent induits par l’effet isotopique au sein du système conjugué, des molécules avec des électrons qui peuvent se déplacer librement au sein de la structure.
La méthode adoptée dans cette étude pourrait s’avérer utile pour les scientifiques étudiant d’autres structures squelettiques organiques complexes. « Notre étude a révélé avec succès la dynamique moléculaire et la structure du 10-mésityl-1,8-bis(trifluorométhyl)-9-phosphaanthracène. Cette information est très vitale lorsqu’il s’agit d’effectuer d’autres réactions et d’affiner ses propriétés chimiques pour diverses applications », conclut le Dr Ito.
Cela pourrait être un petit pas vers la conception de molécules organiques conjuguées polyvalentes !
Référence:
K. Koshino, et al. « Ajout de muonium à un 9-Phosphaanthracène péri-trifluorométhylé produisant un hétérocycle fusionné -conjugué paramagnétique à haute énergie« . Angewandte Chemie Édition Internationale (2021).
La source: Institut de technologie de Tokyo
