В новом исследовании группа исследователей во главе с доцентом Сигэкадзу Ито из Школы материалов и химической технологии Института науки Токио, Япония, использовала спектроскопию μSR для изучения региоселективного мюонирования перитрифторметилированного 12-фосфатетрафена 1. Это соединение является родственником фосфора (вариант общей химической структуры). Процесс спектроскопии μSR первоначально включает образование мюония (Mu), который образуется, когда положительно заряженный мюон (μ⁺) захватывает электрон (e^-). Этот процесс продолжается как реакция мюония (Mu = [µ⁺e^-]) с фосфорсодержащим соединением, приводящая к образованию мюонированного радикала в фосфорном центре. Это региоселективное добавление обусловлено высокой реакционной способностью атома фосфора в структуре, что является ключевой особенностью полиароматических углеводородов. Их выводы были опубликованы онлайн в журнале Scientific Reports 7 января 2025 года.

Исследование показало, что мюон реагирует исключительно с атомом фосфора, образуя стабильный, но высокореактивный мюонизированный радикал в фосфорном центре, что подчеркивает высокую реакционную способность молекулы. Исследователи детально наблюдали это взаимодействие с помощью спектроскопии μSR в поперечном поле (TF-μSR), которая позволила им непосредственно исследовать магнитную среду, окружающую радикал. Измерения TF-μSR показали, что даже при низких концентрациях (0,060 М в тетрагидрофуране) реакция мюонирования протекала эффективно, производя детектируемые сигналы.

"Используя спектроскопию μSR, мы смогли детально наблюдать процесс региоселективного мюонирования, что является прямым доказательством реакционноспособной природы фосфора в этой структуре", - объясняет Ито. "Возможность изучать этот радикал при низких концентрациях открывает новые возможности для исследования реакционноспособных соединений в различных молекулярных системах".

Исследователи использовали теорию функционала плотности (DFT) для изучения структуры и стабильности мюонированного радикала. Сверхтонкие параметры A _μ и A _31P, полученные с помощью DFT, позволили получить ключевое представление о его электронной структуре и стабилизации. Эти расчеты показали, что структура 12-фосфатетрафена 1 (мюонированный радикал) стабилизируется в плоской, π-делокализованной форме благодаря вкладу минимально возможной (нулевой точки) энергии. Такая стабилизация предотвращает образование термодинамически благоприятного тетрациклического каркаса седловидного типа.

Другим важным наблюдением, полученным в ходе исследования, были температурные зависимости A _µ и A _31P. С повышением температуры параметры как A _µ, так и A _31P уменьшались, что свидетельствует о структурной стабилизации мюонированного радикала. Эти выводы были подтверждены экспериментами по резонансу с пересечением уровней μSR и мюонным (избегаемым) резонансом, которые предоставили дополнительную информацию о динамике мюонированного радикала и его структурных характеристиках.

"Это исследование дает ценную информацию о динамике и структурных изменениях мюонированного радикала, которые могут повлиять на будущие исследования поведения радикалов и их стабилизации", - говорит Ито. Устранение деформации в молекулярном каркасе повышает стабильность и реакционную способность, оптимизируя материал для практических применений, таких как электронно-спиновые функциональные материалы и регуляция нуклеиновых кислот. Это усовершенствование повышает надежность, открывая новые возможности для передовых технологий и терапевтического применения.

Ожидается, что региоселективное мюонирование перитрифторметилированного 12-фосфатетрафена 1 будет иметь значение в области материаловедения и биологии путем создания электронно-спиновых функциональных материалов и регуляторных веществ для нуклеиновых кислот, соответственно. В целом, это исследование улучшает понимание фосфорсодержащих радикалов и подчеркивает универсальность спектроскопии μSR при исследовании реакционноспособных частиц на атомном уровне.