Японские химики синтезировали молекулярный комплекс из органических молекул со структурой, напоминающей Сатурн. «Планетой» в этом комплексе стала молекула фуллерена, а «кольцом» вокруг нее — плоский ароматический макроцикл, состоящий из 18 бензольных колец. Практического применения у таких комплексов, скорее всего, не будет, однако их можно использовать для изучения межмолекулярных взаимодействий необычных геометрий, пишут ученые в Angewandte Chemie.

У углерода существует довольно много различных модификаций, устойчивых при комнатной температуре, — это и несколько различных кристаллический фаз (например графит, алмаз или лонсдейлит), и другие интересные структуры с двумерной, одномерной или молекулярной структурой: графен, нанотрубки или фуллерен. Подробнее об этих и других возможных формах этого элемента вы можете прочитать в нашем материале «Семь обличий углерода». Одна из наиболее необычных молекулярных модификаций углерода — это фуллерены, объемные молекулы в форме выпуклых многогранников, в состав которых обычно входит несколько десятков или даже сотен атомов. Самый известный фуллерен состава C₆₀ имеет форму футбольного мяча — атомы в этой молекуле расположены по вершинам усеченного икосаэдра.

Известно, что для фуллеренов характерно образование соединений включения: внутрь себя объемная молекула может захватить, например, ион щелочного металла и не выпускать его наружу. В некоторых случаях и молекула фуллерена и сама может оказываться внутри другой органической молекулы еще большего размера. Например, недавно с помощью теоретических расчетов ученые предсказали возможное образование комплексов, по структуре напоминающих Сатурн: в этих комплексах к экваториальной плоскости фуллерена присоединяется плоская ароматическая молекула с антраценовой структурой, похожая на кольца планеты. В новой работе группе японских химиков под руководством Синдзи Тойоты (Shinji Toyota) из Токийского технологического института впервые удалось получить такой молекулярный комплекс экспериментально.

Для этого сначала ученые синтезировали циклические гексамеры 2,7-антриленовых структур, в которых шесть молекул антрацена (связанных по одному ребру трех бензольных колец) с дополнительной функциональной группой у каждой соединены между собой одинарными ковалентными связями в единую плоскую дискообразную молекулу с «дыркой» посередине размером примерно в 1 нанометр. Полученное макроциклическое соединение после этого реагировало с молекулой фуллерена C₆₀, диаметр которой всего на несколько десятых нанометра меньше полости внутри диска, с образованием комплекса. Возможность формирования устойчивой комплексной структуры в этом случае возможно благодаря образованию межмолекулярных связей между CH-группами молекулы-диска и системой связанных π-орбиталей фуллерена.

Химическая структура внешнего макроциклического кольца (слева) и полная структура полученного комплекса (справа). Y. Yamamoto et al./ Angewandte Chemie, 2018

Химическая структура макроциклической молекулы, которая играет роль «кольца» вокруг фуллерена. Y. Yamamoto et al./ Angewandte Chemie, 2018

Химическая структура комплекса, аналогичного синтезированному, но без внешних функциональных групп во внешнем макроциклическом кольце. Данные получены с помощью теории функционала плотности. Справа приведена структура молекулярных орбиталей комплекса. Y. Yamamoto et al./ Angewandte Chemie, 2018

Такие молекулярные «нано-Сатурны» ученым удалось получить как в растворе в толуоле, так и в кристаллической форме. Структура образовавшейся молекулы была подтверждена с помощью спектроскопии ядерно-магнитного резонанса (в растворе) и рентгеновской дифракции (в кристалле). В результате авторам работы удалось определить точные расстояния связей между атомами разных молекул в комплексе (они составили от 0,29 до 0,36 нанометра) и константы реакции образования такого соединения. При этом оказалось, что при образовании комплекса внешний диск становится слегка неплоским, однако эти искажения незначительны. Полученные экспериментальные данные исследователям удалось подтвердить и теоретически, рассчитав с помощью теории функционала плотности структуры аналогичных комплексов.

Как правило, подобные системы становятся хорошими моделями для изучения межмолекулярных взаимодействий в органических комплексах, но практического применения не находят. По словам авторов исследования, и в данном случае полученный комплекс в первую очередь интересен с точки зрения исследования пространственной ориентации орбиталей двух ароматических молекул, которые в точке образования связи находятся практически под прямым углом друг к другу.

В прошлом году другая группа японских химиков синтезировала похожую структуру, в которой молекула фуллерена опоясывается несколькими крупными циклическими структурами, состоящими из связанных между собой бензольных колец. Такие сложные молекулярные комплексы ученые сравнили с планетарной моделью Солнечной системы, в которой орбиты планет наклонены под определенным углом друг к другу.

Автор: Александр Дубов