Ученые синтезировали карбиновое кольцо из 18 атомов углерода

С помощью системы из атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопов группа химиков из Швейцарии и Великобритании синтезировала и описала циклическую молекулу одной из аллотропных модификаций углерода — карбина из 18 атомов углерода в конденсированной фазе. Оказалось, что связи в атомах не двойные, как предсказывали некоторые теоретические расчеты, а чередующиеся тройные с одинарными. Исследование опубликовано в Science.

Графен, углеродные нанотрубки, фуллерены — все это аллотропные модификации углерода, которые состоят из трехкоординационных атомов (с тремя соседями). В 1960-х годах в лаборатории высокомолекулярных соединений ИНЭОС удалось синтезировать полиины — цепочки, в которых каждый углерод соединен лишь с двумя соседними атомами. Чуть меньше чем через 30 лет ученые доказали существование циклических полиинов, после чего кольца исследовали и другие группы, но только в газовой фазе. В конденсированном состоянии эти высоко реакционноспособные образцы до сегодняшнего дня не удавалось изучить.

Важный вопрос о том, являются ли связи в таких кольцах чередованием тройной и одинарной, или все атомы углерода связаны кумулированными двойными связями, так и не разрешился. Различные методы квантовых расчетов предсказывали разные результаты, и ни один из экспериментов в газовой фазе не привел к выводам о структуре связей в этих молекулах.

Катарина Кайзер (Katharina Kaiser) и ее коллеги из Исследовательского отдела IBM в Цюрихе и Оксфордского университета синтезировали кольцевые молекулы С₁₈ из окисленного прекурсора на инертной поверхности при низкой температуре и охарактеризовали их структуру. 

Химики конденсировали окисленный циклический полиин с кремниевой пластинки на охлажденную до десяти кельвинов медную поверхность Cu(111) с небольшими двухслойными островками кристаллов хлорида натрия, которые обеспечивали инертную и стабильную для радикалов и полиинов поверхность. С помощью системы из сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов при температуре пять кельвинов авторы воздействовали на молекулы прекурсора электрическим разрядом и изучали структуру полученных молекул. Для большей точности визуализации, авторы работы «посадили» на кончик зонда атомно-силового микроскопа молекулу СО.

Под действием электрических импульсов от молекул прекурсора составом С₂₄О₆ отщепилось шесть молекул угарного газа, и между соседними атомами углерода в кольце образовывалась третья связь. Выход продукта, по статистическим расчетам авторов, составил 13 процентов.

Исследователям удалось подробно «рассмотреть» молекулу и увидеть разницу в длинах связей между атомами углерода в кольце. Это свидетельствует о наличии чередующихся тройных связей с одинарными, как предсказывали теоретические расчеты методами Хартри-Фока, связанных кластеров и Монте-Карло.

Как утверждают авторы работы, благодаря своей высокой реакционной способности, полученные молекулы и их окисленные предшественники могут пригодиться в синтезе методом манипуляции атомов, примеров которого сейчас не так много.

Три года назад ученым удалось вырастить карбиновую цепь длиной в шесть тысяч атомов с помощью углеродных нанотрубок. О некоторых других необычных аллотропных модификациях углерода и интервью с ученым Уральского федерального университета Анатолием Зацепиным можно прочитать в нашем материале «Семь обличий углерода».

Алина Кротова