Углеродное кольцо стало реальностью
Химики впервые синтезировали молекулу циклоуглерода из восемнадцати атомов.
Чем отличается сверкающий алмаз в дорогой оправе от графитового грифеля простого карандаша? Ценой, прочностью, цветом – да практически всем! Но есть у этих двух абсолютно разных материалов и кое-что общее, делающее их практически родными «братьями». И алмаз, и графит – всего лишь разные формы одного и того же химического элемента. Оба материала состоят только из атомов углерода, а разительные отличия в свойствах веществ возникают из-за разного способа соединения атомов между собой. У алмаза каждый атом углерода образует связь с четырьмя соседями, в результате чего получается трёхмерная суперпрочная структура. А в графите атомы расположены в слоях, где у каждого углерода прочные связи только с тремя соседними атомами. Связи между слоями довольно слабые, и поэтому графит легко крошится.
Графит можно превратить в алмаз, как, впрочем, и наоборот. Но есть ли ещё варианты существования углерода в, что называется, чистом виде? Да, и такие формы известны уже сравнительно давно: углеродные нанотрубки, фуллерены и графен. Первооткрыватели двух последних даже получили за это Нобелевские премии. По сути, все эти структуры – это различные вариации на тему плоских графитовых слоёв. Графен – это слой из атомов углерода в его самом простом виде. Нанотрубка, как это следует из названия, представляет собой очень маленькую трубку, свёрнутую из всё того же графена. А фуллерен – это «мячик» из атомов углерода. Но вот что химикам долго не удавалось, так это сделать из атомов углерода кольца.
Здесь нужно ещё раз подчеркнуть разницу между молекулами, в которых есть цепочка из атомов углерода, но вместе с другими атомами, и теми соединениями, где есть только атомы углерода и никаких других. Среди первых есть самые разнообразные формы и структуры, собственно, всё многообразие жизни и не только строится на способности углерода образовывать бесконечно длинные и разнообразные цепочки связей. А вот если в нашем химическом конструкторе кроме атомов углерода не будет больше никаких других, то число реально существующих «моделек» сократится на порядки. Если на бумаге и можно нарисовать самые разнообразные структуры и цепочки (что мы, собственно, делаем на уроках органической химии), то вот в реальности такие структуры оказываются нежизнеспособны и тут же разваливаются на кусочки.
А на днях химики из Оксфордского университета и исследовательского центра IBM сообщили о первом успешном синтезе молекулы, содержащей восемнадцать атомов углерода, объединённых в кольцо. И да, здесь нет никакой ошибки, они получили именно молекулу – в единственном экземпляре. Однако этот синтез очень сильно отличался от привычных химических опытов. Сначала исследователи взяли молекулу, в которой уже содержался прообраз будущего углеродного кольца, но оно было стабилизировано своеобразными «скрепками», которые не давали ему развалиться.
Полученную заготовку затем разместили на специально подготовленной подложке. После чего при низкой температуре и низком давлении с помощью атомно-силового микроскопа от этой молекулы последовательно отделили те самые скрепки, оставив одно углеродное кольцо, состоящее из восемнадцати атомов. Что самое удивительное, молекула не развалилась и осталась «лежать» на подложке в целости и сохранности.
Больше всего исследователей интересовал вопрос, как устроены связи между атомами углерода в кольце. Представим, что у углерода есть четыре «руки» – они будут символизировать четыре химические связи. Когда такие четырёхрукие атомы находятся в кольце, у них есть два варианта, как держаться друг за друга. Первый вариант, когда каждый атом держит соседа слева и справа двумя руками. В таком случае все связи в кольце будут одинаковыми и по длине и по прочности. В другом варианте атом углерода может держать соседа слева одной рукой, а соседа справа – всеми оставшимися тремя руками. Тогда в кольце будут чередоваться одинарные связи и тройные. Вот именно второй вариант и подтвердился на практике для углеродного кольца из восемнадцати атомов.
Что может быть полезного в этом необычном веществе, если только чтобы получить одну его молекулу, нужно затратить такие огромные усилия? Исследователи предполагают, что у подобных систем могут быть свойства полупроводников, и вполне возможно, что в будущем им найдут своё применение. К тому же эта работа открывает целое новое направление в синтезе углеродных соединений.
По материалам Science
