Forskere bygger en nanocage med antiaromatiske vægge

Forskere ved Tokyo Institute of Technology, University of Cambridge, og Københavns Universitet har bygget en selvsamlet nanocage med et meget usædvanligt nanorum:Dens vægge er lavet af antiaromatiske molekyler, som generelt anses for at være for ustabile til at arbejde med. Ved at omstøde antagelser om grænserne for nano-kemisk teknik, undersøgelsen skaber et helt nyt nanorum, som videnskabsmænd kan udforske. Hulrum på nanometerstørrelse finder allerede en række nyttige anvendelser inden for kemi, medicin og miljøvidenskab.

Forskere, herunder Masahiro Yamashina fra Tokyo Institute of Technology (JSPS Overseas Research Fellow, på det tidspunkt) og Jonathan R. Nitschke fra University of Cambridge, rapporterer deres arbejde i journalen Natur , beskrive konstruktionen af ​​en ny type nanospace inde i "et selvsamlet bur sammensat af fire metalioner med seks identiske antiaromatiske vægge."

Indtil nu, mange hold har udviklet nanocages med aromatiske vægge, men ingen med antiaromatiske forbindelser, på grund af de udfordringer, som deres iboende ustabilitet udgør. Aromaticitet refererer til en egenskab ved ringformede organiske forbindelser, der gør dem meget stabile, hvorimod antiaromaticitet beskriver forbindelser, der er langt mere reaktive, på grund af en forskel i antallet af såkaldte π-elektroner, der deles af ringen.

Holdets søgen efter en passende byggesten til deres nanocage førte dem til en undersøgelse fra 2012 af Hiroshi Shinokubo og kolleger i Japan. Denne undersøgelse rapporterede syntesen af ​​en usædvanlig stabil, nikkelbaseret antiaromatisk forbindelse kaldet norcorrol. Derefter, trækker på Jonathan R. Nitschke og hans gruppes ekspertise inden for selvmontering af underkomponenter, holdet lykkedes med at bygge et tre nanometer-diameter bur med et norcorrole-skelet.

For at undersøge graden af ​​antiaromacity i buret, holdet udførte nucleus-uafhængige kemiske skift (NICS) beregninger. Resultaterne indikerede, at norcorrole-panelerne ser ud til at arbejde sammen for at øge antiaromaiteten. NICS-værdien var konstant høj i den centrale del af buret, tyder på, at panelerne forstærker hinanden.

Det unikke miljø inde i buret blev yderligere testet ved at indkapsle en række gæstemolekyler, begyndende med coronen, som allerede er blevet indkapslet i det aromatiske bur.

Forskerne antog, at når de udsættes for et eksternt magnetfelt, gæstemolekyler i et bur med aromatisk væg vil opleve en afskærmende effekt, mens de i et bur med antiaromatisk væg ville opleve en afskærmende effekt.

Som forudsagt af teori, Nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopianalyser afslørede en afskærmningseffekt, der kan tilskrives de antiaromatiske vægge.

Alle gæstemolekyler, der blev testet i undersøgelsen, viste betydelige kemiske skift i marken, en indikator for graden af ​​afskærmning. Skiftforskellene varierede fra 0,7 til 14,9 ppm. Af disse, et kulstof-nanobånd viste den højeste grad af downfield-forskydning, der hidtil er observeret som følge af et antiaromatisk miljø.

Buret kan betragtes som en ny type NMR-skiftreagens, siger forskerne, hvilket betyder, at det kunne være et nyttigt værktøj til strukturel analyse, dvs. til fortolkning af de fineste strukturer af organiske forbindelser.

Fremtidigt arbejde vil fokusere på at undersøge kemisk reaktivitet i nanorummet.