Se espera que los materiales de carbono con periodicidad a nanoescala, como el grafeno y los nanotubos de carbono, llamados "nanocarbonos", se conviertan en materiales ligeros y altamente funcionales de próxima generación. Ha habido demandas de métodos de síntesis precisos dirigidos solo a la estructura de nanocarbono con la deseadapropiedad porque sus propiedades electrónicas y mecánicas son muy diferentes dependiendo de la estructura. En tales circunstancias, la "ciencia de nanocarbono molecular", en la que la síntesis orgánica se utiliza para sintetizar con precisión las moléculas con estructuras parciales de nanocarburos, recientemente ha recibido atención y por lo tanto muchaproyectos de investigación están en marcha en todo el mundo.
Hasta ahora, se han sintetizado muchas moléculas que tienen estructuras parciales de fullerenos, grafeno y nanotubos de carbono nanocarbonos moleculares. Sin embargo, tienen estructuras relativamente más simples desde el punto de vista de la topología. Por otro lado, un gran número deDesde el punto de vista de la química teórica, se han predicho los nanocarbonos con una topología compleja, como los que tienen forma de rosquilla toro o los que tienen forma de bobina, y, por lo tanto, los investigadores han estado interesados en las propiedades desconocidas de tales nanocarbonos.de tales nanocarbonos, un equipo dirigido por Yasutomo Segawa, un líder del grupo del proyecto JST-ERATO, y Kenichiro Itami, el director del proyecto JST-ERATO y el director del centro de ITbM ha propuesto "nanocarbonos moleculares topológicos", que son molecularesnanocarbonos con una topología compleja.
En esta investigación, lograron sintetizar nanocarbonos moleculares con nudos y catenanes, que son tipos básicos de topología. Las moléculas llamadas catenos y nudos se han sintetizado desde los años 1960 y 1980, respectivamente. En los últimos años, se esperaba que tales moléculas fueranaplicado a máquinas moleculares máquinas de nanoescala y son bien conocidas por la razón de la concesión del Premio Nobel de química 2016. Sin embargo, para generar estructuras de nudos o catenos, era necesario introducir átomos de nitrógeno o átomos de oxígeno e inducir elestructurar a uno topológico utilizando átomos como un escalón. Por lo tanto, se tuvo que desarrollar un nuevo método de síntesis para sintetizar nanocarbonos moleculares con nudos o catenos.
Un "cicloparaphenylene" de nanocarbono molecular, una estructura parcial de un nanotubo de carbono, es una molécula en forma de anillo con un diámetro de aproximadamente 1 nanómetro que se compone solo de bencenos. Pensaron que serían capaces de introducir nudos o catenos porusando átomos de silicio como fijaciones provisionales en medio de la síntesis de cicloparapenilenos. Como esos átomos de silicio se pueden eliminar más adelante, al final se pueden obtener nudos o catenos compuestos solo de esqueletos de carbono.
Aquí hay una descripción general de los pasos en la síntesis. Primero, prepare las moléculas en forma de C y conecte el centro de dos moléculas en forma de C con un átomo de silicio. En segundo lugar, conecte los extremos de cada una de esas moléculas en forma de C a través de unLa reacción con el níquel se usa para generar dos anillos. En tercer lugar, use flúor fluoruro de tetrabutilamonio para eliminar el átomo de silicio. Finalmente, use una reacción con sodio para convertir en una molécula "todo-benceno catenane" en el que dos cicloparaphenylenes son geométricamenteCon este método de síntesis, han logrado sintetizar catenos a partir de un par de anillos compuestos por 12 bencenos. Mediante un método similar, han sintetizado 2 miligramos de catenos en los que están unidos dos anillos de diferentes tamaños, uno compuesto por 12 bencenosy los otros 9 bencenos.
Aplicando aún más este método de síntesis, han sintetizado nanocarbonos moleculares topológicos con nudos, "nudos de benceno completo", que pueden llamarse "moléculas inalcanzables" debido a la mayor dificultad. Como otras investigaciones anteriores han revelado que una topología de nudos molecularespueden generarse organizando dos fijaciones provisionales en las posiciones apropiadas, diseñaron un precursor con dos átomos de silicio como las fijaciones provisionales. Han tenido éxito por primera vez en el mundo en sintetizar nudos de benceno de nuestro objetivo "nudos de carbono" mediante la síntesis de moléculasen el que las moléculas en forma de U se unieron con átomos de silicio y luego procesaron esta unidad de la misma manera que los catenos de benceno reacción de homo-acoplamiento, fluorización y reacción de reducción de sodio. La cristalografía de rayos X se utilizó para confirmar que la moléculatiene un nudo. Además, han demostrado la existencia de nanotori de carbono nanocarbonos en forma de rosquilla que incorporan el nudo de benceno completo que nuestro grupo de investigación tienesintetizado como una estructura parcial desde el punto de vista de la ciencia computacional y ha demostrado que la síntesis de nudos de benceno total es un paso importante hacia la síntesis de nanocarbonos topológicos.
A continuación, han demostrado que esas moléculas recién sintetizadas tienen propiedades específicas derivadas de los nudos o catenos. Se observó que después de que los catenos compuestos por dos anillos de diferente tamaño son excitados por la luz, la energía de excitación se transfiere del más grandeanillo al anillo más pequeño muy rápidamente. La estructura catenane es la única forma de verificar el efecto de la interacción entre los anillos con la simetría de cada anillo perfectamente mantenida. Los experimentos esta vez han demostrado que los anillos interactúan electrónicamente a través de la estructura catenane.
Por otro lado, cuando disolvieron nudos de benceno en un disolvente orgánico para realizar mediciones de RMN de núcleos de hidrógeno, solo se observó un tipo de señal incluso a una temperatura baja de menos 95 grados. Esto indica que las señales se nivelan debidoa un movimiento muy rápido. Una simulación en una supercomputadora sugirió fuertemente que tal nivelación de velocidad rápida es causada por movimientos en forma de vórtice en forma de rosquilla. Encontraron esas propiedades, que son muy difíciles de predecir de antemano, por primera vez a través de síntesis yaislamiento.
Los nudos, que se pueden dividir en zurdos y diestros, tienen una propiedad llamada quiralidad por ejemplo, quiralidad entre la mano izquierda y la mano derecha, que no son equivalentes como son, pero se vuelven equivalentes cuando se reflejan porun espejo .Han logrado separar los nudos de benceno que sintetizamos esta vez en nudos zurdos y nudos derechos y para demostrar que los nudos de benceno muestran dicroísmo circular un fenómeno de diferentes intensidades de absorción entre la rotación de la luzen sentido derecho polarización circular derecha y luz que gira en sentido izquierdo polarización circular izquierda, que son moléculas observadas con quiralidad derivadas de la quiralidad de los nudos.
Desarrollo adicional
El producto de esta investigación será un gran paso hacia la síntesis de nanocarbonos con estructuras geométricas complejas. La capacidad de construir estructuras geométricas complejas como nudos y catenos a partir de esqueletos de carbono conducirá al diseño y síntesis de nanocarbonos complejos sin precedentes.Además, el producto puede ser llamado monumento para ser incluido en los libros de texto de química orgánica como un ejemplo de síntesis de moléculas muy bellas en un método innovador. Es un producto de fabricación de época que puede ser un punto de partida para el desarrollo de una nueva química porquetiene el potencial de cambiar por completo el diseño de máquinas moleculares basadas en estructuras de enlaces geométricos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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