Nanoreringer:Nye byggesten til kemi

Sandwichforbindelser er specielle kemiske forbindelser, der bruges som grundlæggende byggesten i organometallisk kemi. Hidtil har deres struktur altid været lineær.

For nylig var forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og University of Marburg de første til at lave stablede sandwichkomplekser til en ring i nanostørrelse. Fysiske og andre egenskaber ved disse cyclocenstrukturer vil nu blive yderligere undersøgt. Forskerne rapporterer deres resultater i Nature .

Sandwichkomplekser blev udviklet for omkring 70 år siden og har en sandwich-lignende struktur. To flade aromatiske organiske ringe ("brødskiverne") er fyldt med et enkelt, centralt metalatom imellem. Ligesom brødskiverne er begge ringe arrangeret parallelt. Tilføjelse af yderligere lag "brød" og "fyld" giver tredobbelte eller flere sandwiches.

"Disse forbindelser er blandt de vigtigste komplekser, der bruges i moderne organometallisk kemi," siger professor Peter Roesky fra KIT's Institut for Uorganisk Kemi. En af dem er det meget stabile ferrocæn, for hvilket dets "fædre" Ernst Otto Fischer og Geoffrey Wilkinson blev tildelt Nobelprisen i kemi i 1973. Ferrocæn består af en jernion og to femleddede aromatiske organiske ringe. Det bruges i syntese, katalyse, elektrokemi og polymerkemi.

Første ringe i nanostørrelse

I nogen tid nu har forskere fra KIT og University of Marburg forsøgt at arrangere sandwichkomplekser i en ring. "Det lykkedes os at producere kæder, men ingen ringe," siger Roesky, der koordinerede arbejdet i tre teams på de to universiteter. "Takket være valget af den rigtige 'brødskive' eller organisk mellemdæk er det nu lykkedes at danne ringe i nanostørrelse for første gang," siger professor Manfred Kappes, der leder afdelingen for fysisk kemi i mikroskopiske systemer på KIT, og professor Florian Weigend, leder af enheden for anvendt kvantekemi ved Marburg Universitet.

Den nye nanoring består af 18 byggeklodser og har en ydre diameter på 3,8 nanometer. Afhængigt af det metal, der bruges som "fyld" af sandwichen, resulterer en orangefarvet fotoluminescens. Den nye kemiske forbindelse blev kaldt "cyklocen" af forskerne.

Nanoreringen holdes sammen af ​​sig selv

De tre arbejdsgrupper udførte omfattende kvantekemiske beregninger for at finde ud af, hvorfor molekylerne kunne arrangeres i en ring og ikke længere dannede en kæde af sandwichkomplekser. Disse beregninger viste, at drivkraften for ringdannelsen er den energi, der opnås ved ringlukningen.

"Vores udfordring var oprindeligt at danne en ring. Kan andre ringstørrelser fremstilles? Har denne nanostruktur usædvanlige fysiske egenskaber? Dette vil blive genstand for yderligere forskning. Men det står klart nu, at vi har tilføjet en ny byggesten til vores værktøjskasse med organometallisk kemi Og det er fantastisk," siger Roesky.

Flere oplysninger: Luca Münzfeld et al., Syntese og egenskaber af cykliske sandwichforbindelser, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06192-4

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Karlsruhe Institute of Technology