Wetenschappers Synthetiseren en Visualiseren Cyclo[18]Koolstof met Succes

Voor het eerst hebben onderzoekers een ring van 18 koolstofatomen gestabiliseerd en direct geïmageerd, de ellusieve cyclo[18]koolstof structuur bevestigend.

Koolstof is een van het universum's meest abundante elementen, bestaande in veel allotropen die radicaal verschillende eigenschappen vertonen - van de hardheid van diamant, waar elk koolstof tetraëdrisch gebonden is, tot de plannaire vellen van grafit, grafeen, nanotubes en fullerenen, waar elk koolstof tricoördinaat is.

Onder deze, cyclokoolstoffen - ringen van koolstofatomen elk gebonden aan slechts twee buren - zijn grotendeels theoretisch gebleven. Jarenlang debatteeerden wetenschappers of de ringbindingen allemaal identiek waren (dubbele bindingen) of afwisselden tussen kortere en langere lengtes (enkel-drievoudige binding alternatie). Hoewel gas-fase bewijs bestond, verhinderde de hoge reactiviteit van deze moleculen isolatie en gedetailleerde karakterisering - tot nu.

Atoom Manipulatie Maakt Cyclokoolstof Creatie Mogelijk

Bouwend op eerdere successen in het imageren van moleculen met atomic force microscopy (AFM) en het synthetiseren van moleculen via atoomm Manipulatie, zetten de Universiteit van Oxford en IBM Research teams uit om cyclokoolstof te creëren, stabiliseren en karakteriseren.

Figuur 1: Van links naar rechts, precursor molecuul C₂₄O₆, intermediairen C₂₂O₄ en C₂₀O₂ en het eindproduct cyclo[18]koolstof C₁₈ gecreëerd op een oppervlak door CO masker groepen te dissociëren gebruikmakend atoomm Manipulatie. De onderste rij toont AFM data verkregen met een CO-gefunctionaliseerde tip op bilayer NaCl op een Cu enkelkristal.

Gepubliceerd vandaag in Science, on benadering omvatte cyclokoolstof genereren door atoomm Manipulatie op een inerte oppervlak bij 5K en het sondes ervan met hoge-resolutie AFM. De samenwerking begon drie jaar geleden met het gedeelde doel deze lang gezochte structuur te ontgrendelen.

Onze initiële focus was op lineaire segmenten van tweevoudig gecoördineerde koolstoffen, routes verkennend om koolstof-rijke materialen via atoomm Manipulatie te produceren - reacties triggeren door spanningspulsen toe te passen met de AFM tip. Wij ontdekten dat dergelijke segmenten gevormd konden worden op een koper substraat bedekt met een chemisch inerte bilayer van NaCl (Nat. Chem. 10, 853-858, 2018), wat ongewilde covalente binding aan het oppervlak voorkwam.

Volgend op dit succes, synthetiseerde de Oxford groep een precursor voor cyclo[18]koolstof - C₂₄O₆, een driehoekig molecuul met 18 koolstofatomen plus zes CO groepen die de structuur stabiliseren. De transformatie van C₂₄O₆ naar C₁₈ werd voor het eerst 30 jaar geleden verkend door François Diederich en Yves Rubin (J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 6870). Met moderne AFM technieken zien wij nu het product in atoomaire detail.

Gebruikmakend van AFM, localiseerden wij de C₂₄O₆ precursors voorbereid op de NaCl bilayer. Door spanningspulsen toe te passen op de AFM tip, verwijderden wij systematisch CO groepen, observerend intermediairen met twee en vier CO groepen verwijderd voordat uiteindelijk alle zes loskamen en cyclo[18]koolstof vormden.

Op het koude, inerte oppervlak bleven de moleculen stabiel genoeg voor gedetailleerde studie. AFM beelden onthulden negen heldere lobben gerangschikt in een cirkel, wat, naarmate de probe naderde, resolveerde in de hoekpunten van een nonagoon - consistent met de posities van drievoudige bindingen. Simulaties bevestigden dat cyclo[18]koolstof een polyynische structuur adopteert met afwisselende enkel en drievoudige bindingen, wat de langdurige debate oplost.

Deze bevindingen suggereren opwindende toekomstige mogelijkheden. Door cyclokoolstoffen of cyclische koolstofoxiden te fusen via atoomm Manipulatie, kunnen wij grotere, custom koolstof-rijke moleculen creëren - potentiële nieuwe allotropen - en de weg banen voor moleculaire elektronica gebaseerd op enkel-electronenoverdracht.

---

Een sp-gehybridiseerde moleculaire koolstof allotroop, cyclo[18]koolstof, Katharina Kaiser, Fabian Schulz, en Leo Gross (IBM Research - Zürich); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel, en Harry L. Anderson (Oxford University), Science Aug 15, 2019, doi/10.1126/science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904