Флуоресценция «нанопоясов». Guillaume Povie et al. / Science, 2017

Химики из университетов Киото и Нагойи синтезировали рекордно маленький зигзагообразный пояс из атомов углерода — он состоит из двенадцати «склеенных» между собой бензольных колец. Эта молекула — фрагмент углеродной нанотрубки типа «кресло». По словам авторов, помимо возможности исследовать необычное вещество экспериментально, «нанопояса» могут послужить в роли затравок для выращивания одностенных углеродных нанотрубок высокой чистоты. Исследование опубликованов Science.

Углеродные нанотрубки типа «зигзаг» и «кресло» (слева). Пояса из нанотрубок (справа). Guillaume Povie et al. / Science, 2017

Углеродные нанотрубки — одна из редких аллотропных форм углерода. Этосвернутые в трубку листы, состоящие из шестиугольных секций на мотив пчелиныхсот, в каждом углу такой секции располагается атом углерода. В зависимости оттипа скручивания листа («под углом» или «параллельно краям») выделяют два типананотрубок — «зигзаг» и «кресло». В «кресле» шестиугольные секции выстраиваютсяв ровные линии вдоль всей длины нанотрубки, а в «зигзаге» они соединены подуглом. Если посмотреть на сечение таких нанотрубок, то можно обнаружить поясаиз шестиугольников. С ними возникает противоположная ситуация: поясав «зигзагах» оказываются ровными (шестиугольники «склеиваются»противоположными ребрами), а в «креслах» — изогнутыми (каждый стык подуглом 120 градусов).

Химики предпринимали попытки синтезировать такие пояса начиная со второйполовины XX века. Но ни с ровными, ни с зигзагообразными поясами не удалосьдостичь успеха. Лишь в 2008 году группе японских химиков удалось создатьциклопарафенилен— это пояс, в котором шестиугольники не «склеены» между собойпо ребрам, а скорее нанизаны на нить. Исследователи надеялись, что нарастив нанего дополнительные шестиугольные секции удастся получить искомыйзигзагообразный пояс, но все попытки оказались безуспешными.

Схема синтеза. Guillaume Povie et al. / Science, 2017

Авторы новой работы наконец достигли успеха в синтезе зигзагообразного поясаиз углерода и даже смогли вырастить монокристалл для доказательства структуры.Схема постройки углеродного каркаса выглядела следующим образом. Можнопредставить себе пояс как шесть шестиугольников, «склеенных» между собой ещешестью такими же кольцами. В циклопарафенилене от этих «склеивающих»шестиугольников остаются лишь короткие перемычки, а мостики из еще двух атомовуглерода исчезают. Химики пошли по альтернативному пути, синтезировав замкнутуюцепь из шестиугольников, соединенных мостиками из двух атомов углерода — лишьна последней стадии эти мостики должны были превратиться в полноценныефрагменты «склеивающих» шестиугольников.

Сборка структуры происходила с помощью классических реакций органическойхимии — реакций Виттига между бромпроизводными и илидами фосфора. Авторыпопытались подобрать оптимальные условия для последней стадии процесса — когдамостики становятся частью новых шестиугольных фрагментов, однако в конечномитоге выход искомого вещества составил лишь один процент ожидаемого.

Спектры поглощения и флуоресценции (пунктир), а также оптические фотографии «нанопояса». Guillaume Povie et al. / Science, 2017

Вещество оказалось красным порошком, из которого ученые вырастили кристалл длярентгеноструктурного анализа. Это один из рентгеновских методов, позволяющий сбольшой точностью установить положение атомов в кристаллической решетке.Диаметр пояса, по данным исследователей, был равен 8,324 ангстрема. Не всешестиугольники — бензольные кольца — обладали одинаковыми электронными свойствами.По словам химиков, «склеивающие» шестиугольники обладали лишь слабойароматичностью. Также соединение обладало красной флуоресценцией.

Ранее мы сообщали о синтезе других необычных структур из бензольных колец.Так, недавно химики из США и Германии впервые выделили гептацен —«гусеницу» из семи бензольных колец. А группа исследователей из IBM иУорикского университета с помощью манипуляции отдельными атомами получила триангулен.Эта молекула похожа на «пирамиду» из шести «склеенных» шестиугольников. Онаинтересна тем, что в ней нельзя «правильно» расставить двойные связи —триангулен может существовать только в виде бирадикала.

Автор: Владимир Королёв