Химики синтезировали дырявый кусочек графена

Химики из Института полимеров Общества Макса Планка и Миланского Технического Университета впервые синтезировали многослойный короноид — вещество, молекулы которого напоминают небольшие графеновые чешуйки с отверстиями посередине. Авторы предполагают, что новое соединение можно использовать в качестве модели для исследования свойств графеновых сит, моноатомных слоев углерода с периодически расположенными дырками. Работа опубликована в журнале Journal of American Chemical Society.

Молекулы вещества представляют собой плоские шестиугольники диаметром около двух нанометров, состоящие из «склеенных» между собой бензольных ядер (также шестиугольных). Диаметр отверстия в молекуле — около 0,6 нанометров. Химическая формула соединения — C₂₁₆H₄₈.

Для синтеза вещества авторы использовали четырехстадийную схему. В качестве стартового соединения химики выбрали замещенный гексафенилен — кольцеобразную молекулу, состоящую из шести бензольных фрагментов-шестиугольников, связанных между собой обычными одинарными связями. На первых двух этапах к гексафенилену присоединили шесть ацетиленовых фрагментов, по одному на каждое кольцо. Затем ученые ввели получившееся соединение в реакцию Дильса—Альдера с производной циклопентадиенона. 

Циклопентадиенон представляет собой пятиугольную циклическую молекулу. В реакции Дильса—Альдера четыре вершины этой молекулы соединяются с двумя атомами, соединенными кратной связью (в данном случае — ацетиленовым фрагментом). В результате этого образуется новый цикл из шести атомов углерода, над которым находится мостик (карбонильная группа). При нагреве этот мостик отрывается от исходной структуры — из пятиугольной молекулы получается шестиугольная.

В новом синтезе такое взаимодействие повторилось шестикратно за время третьего этапа. В результате образовалась разветвленная структура, отличавшаяся от целевой молекулы отсутствием связей между ветвями. Последний этап реакции заключался в мягком окислении вещества хлоридом железа (III). После очистки авторы получили 49 миллиграмм темно-пурпурного вещества.

Авторы отмечают, что электронные свойства вещества в некотором смысле аналогичны свойствам графеновых сит. Последние, в отличие от графена, обладают ненулевой шириной запрещенной зоны. Также и короноиды, согласно расчетам авторов, оказываются обладателями более широкой запрещенной зоны чем «недырявые» аналоги.

Владимир Королёв