Химики получили ковалентные органические нанотрубки

Химики из Индии и Италии получили ковалентные органические нанотрубки с помощью реакции между ароматическим диальдегидом и полициклической молекулой с четырьмя аминогруппами. Нанотрубки оказались устойчивыми к высокой температуре и превращались в кольца под действием ультразвука, пишут ученые в Nature Chemistry.

Самые изученные структуры из всех ковалентных органических каркасов — углеродные нанотрубки. Химики умеют получать их очень разными методами: например, электролизом или гидротермальным синтезом. Углеродные нанотрубки применяют в электронике, катализе и других областях химии. Тем не менее эти необычные вещества, как правило, сложно вводить в химические превращения, а их синтез часто ведут в жестких условиях.

Также есть несколько примеров синтеза ковалентных органических нанотрубок, которые содержат разные функциональные группы и имеют более разнообразную структуру. Но общих методов синтеза таких веществ не существует, а их размеры и структуру в процессе синтеза контролировать очень трудно.

Химики под руководством Джовании Павана (Giovanni M. Pavan) из Туринского политехнического университета предположили, что можно синтезировать органические нанотрубки по реакции между аминами и альдегидами. Таким способом часто получают пористые ковалентные органические каркасы.

Химики выбрали в качестве амина производное триптицена с четырьмя аминогруппами, а в качестве альдегида — простейший ароматический диальдегид, к котором две карбонильные группы находятся напротив друг друга и связаны с бензольным кольцом. Затем ученые провели реакцию: они прикапали раствор двух эквивалентов альдегида к раствору амина и уксусной кислоты в дихлорметане. В результате выпал белый осадок, которые промыли тетрагидрофураном и высушили в вакууме. Также химики провели аналогичную реакцию с другим альдегидом — он содержал еще две метокси-группы по соседству с карбонильными группами.

После сушки химики стали выяснять структуру веществ. Данные их ИК-спектров показали, что в реакции образовалась двойная связь углерод-азот, как и предполагали авторы. То же самое показали и твердотельные ЯМР-спектры. Но помимо пиков от основного продукта в них были пики от небольшого количества (6 – 8 процентов) альдегидных групп, которые не вступили в реакцию. Далее, с помощью термогравиметрического анализа химики выяснили, что ковалентные нанотрубки оказались стабильными при нагревании до 400 градусов Цельсия, а внутри их трубчатых полостей не было молекул растворителя.

Диаметр нанотрубок составил около 5 нанометров в соответствии с экспериментами по микроскопии. Также на микрофотографиях ученые заметили, что некоторые трубки сплетаются друг с другом. Причем чем дольше ученые вели реакцию, тем длиннее получались трубки, и тем сильнее они сплетались. А в зависимости от растворителя количество сплетенных между собой нанотрубок менялось.

Авторам было известно, что под действием ультразвука в толще растворителя образуются пузырьки, вокруг которых длинные молекулы могут сплетаться в тороидные структуры. Поэтому они решили погрузить сосуды с растворами нанотрубок в ультразвуковую баню. В реакции, как и предполагали химики, получились тороидные (кольцевые) молекулы с диаметром кольца от 300 до 900 нанометров.

В результате химики синтезировали ковалентеные органические нанотрубки по реакции органических амина и альдегида. Вещества оказались стабильными и имели большую площадь поверхности — 321 и 52 квадратных метра на грамм для двух разных нанотрубок. Авторы статьи надеются, что их метод поможет другим ученым получить еще больше ковалентных нанотрубок, которые можно будет применять так же широко, как и их углеродные аналоги.

Ранее мы рассказывали о том, как с помощью аналогичной реакции между аминами и альдегидами химики получили ковалентные органические каркасы с рекордным размером пор.

Михаил Бойм