Японские химики впервые синтезировали необычную конструкцию из органических молекул — фуллерен, помещенный внутрь рекордно короткой двухстенной углеродной нанотрубки, длиной буквально в доли нанометра. Хотя у такой «матрешки» нет практических применений, подобные комплексы — хороший способ исследовать взаимодействия между молекулами. Исследование опубликовано в журнале ChemPlusChem, кратко о нем сообщает Chemistry World.

Углеродные нанотрубки — длинные цилиндрические молекулы, состоящие из «склеенных» между собой шестиугольников атомов углерода. В зависимости от типа склейки такие молекулы могут быть зеркально симметричными или хиральными. В нанотрубках можно выделить цепочки из шестиугольников, полностью опоясывающие эти цилиндры. Один из типов этих цепочек — циклопарафенилены — представляет собой кольцо из шестиугольников, связанных противоположными вершинами.

Эти молекулы представляют собой интерес для химиков в качестве «затравок» — на их основе в газофазных реакторах могут расти высококачественные одностенные нанотрубки. Последние считаются важным сырьем для будущей электроники. Транзисторы на углеродных нанотрубках могут работать на несколько порядков быстрее кремниевых.

Строение трехслойного комплекса — фуллерен вложен в 10-членный пояс, который вложен в 15-членный пояс. Sigma Hashimoto et al. / ChemPlusChem, 2017

Авторы новой работы воспользовались циклопарафениленами для постройки вложенных молекул-«матрешек» — аналогов двухстенных углеродных нанотрубок. Для этого химики смешивали растворы молекул-колец разного диаметра — состоящих из различного количества шестиугольных секций. Ранее теоретики предсказали, что наиболее устойчивые «матрешки» будут образовываться, если количество шестиугольников в кольцах будет отличаться ровно на пять штук. Авторам удалось доказать методами спектроскопии ядерного магнитного резонанса образование комплексов из вложенных колец с 10 и 5, 11 и 6, 12 и 7, 13 и 8, а также 15 и 10 шестиугольниками — все реакции проводились в ампулах спектрометра.

Строение вложенных структур. Sigma Hashimoto et al. / ChemPlusChem, 2017

Интересно, что такие вложенные комплексы могут существовать в двух возможных конфигурациях: симметричной матрешки, когда оба кольца находятся в одной плоскости, и планетарной конфигурации, когда кольца расположены под углом друг к другу.

Затем химики усложнили конструкцию, синтезировав трехслойный комплекс. На первом этапе исследователи получили комплекс, в котором молекула фуллерена помещена внутрь 10-членного циклопарафениленового кольца. Затем к нему добавили раствор 15-членного циклопарафенилена. Образование структуры, в которой фуллерен вложен в две кольцевых структуры, также удалось доказать методами ЯМР.

Ранее мы сообщали о первом синтезе рекордного тугого углеродного «нанопояса» — другой кольцеобразной структуры, опоясывающей зеркально-симметричную углеродную нанотрубку. Он отличается от циклопарафенилена тем, что все шестиугольные секции в нем «склеены» сторонами, а не вершинами.

Также в этом году химики сообщили о первом синтезе гептацена — линейной молекулы из семи шестиугольников, склеенных на манер гусеницы. Такие мотивы тоже встречаются в зеркально-симметричных нанотрубках.

Автор: Владимир Королёв