Химики из исследовательской лаборатории IBM (Цюрих) и Уорикского университета впервые синтезировали триангулен — ароматическую молекулу, состоящую из шести бензольных колец, сложенных по мотиву треугольника. Эта структура считалась недоступной традиционными методами химического синтеза, что связано с ее необычным электронным строением. Для сборки структуру авторы использовали методы сканирующей зондовой микроскопии — «ощупывания» молекул очень острой иглой. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology, кратко о нем сообщает редакционный материал Nature.

Ароматическими называют молекулы, обладающие рядом особенных свойств. В первую очередь, они должны быть плоскими, замкнутыми в кольцо. Кроме того, над плоскостью кольца должно располагаться облако электронов из сопряженных химических связей — такие электроны могут легко путешествовать от одной связи к другой. Третье требование к ароматическим молекулам — при делении на четыре количество электронов в облаке должно давать остаток два. Соблюдение этих требований приводит к значительному изменению свойств молекулы, в частности, к увеличению ее стабильности.

Самый известный пример ароматической структуры — бензол. Это шестиугольная молекула из шести атомов углерода и шести атомов водорода. Пары соседних атомов в ней соединены двойными связями (они и обеспечивают возникновение электронов над плоскостью кольца). Всего в бензоле шесть электронов в сопряженной системе из двойных связей. Стоит отметить, что сопряжение приводит к тому, что как таковых полноценных двойных связей в бензоле нет — все они «размазаны» по всем связям бензольного кольца.

Ароматические углеводороды
Ароматические углеводороды

Если «склеить» две молекулы бензола вдоль стороны шестиугольника, то получится молекула нафталина — также ароматическая. Если склеить три молекулы — получатся линейный антрацен или изогнутый фенантрен. Важно, что во всех таких структурах можно нарисовать чередующиеся двойные связи так, чтобы у каждого атома углерода была ровно одна такая связь. Существуют и более сложные ароматические «острова», состоящие из четырех, пяти и большего числа ядер.

В 1941 году немецкий химик Клар обратил внимание на то, что для углеродного скелета, состоящего из шести выстроенных «пирамидкой» бензольных колец, любая попытка нарисовать чередующиеся двойные связи приводит к тому, что остаются два атома углерода без двойных связей. Это означает, что в ароматическом виде этот триангулен может существовать только в виде бирадикала (когда два атома углерода оказываются обладателями неспаренных электронов). Однако бирадикалы – очень реакционноспособные молекулы, они быстро вступают в химические взаимодействия с окружающей средой или самими собой. Поэтому прямой синтез триангулена считался практически невозможным.

2b и 2a — исходные молекулы, использованные для синтеза триангулена
2b и 2a — исходные молекулы, использованные для синтеза триангулена

Авторы новой работы тем не менее нашли способ сборки одиночной молекулы триангулена. Для этого химики использовали недавно разработанный метод исследования и манипуляций над одиночными молекулами — атомно-силовую микроскопию с молекулой угарного газа на зонде. Этот метод заключается в следующем. Молекулы исследуемого вещества помещают на очень гладкую поверхность (атомарно-гладкую). Туда же осаждают при низких температурах небольшое количество молекул угарного газа. Затем к поверхности подводят очень острую иглу — с ее помощью химики подцепляют одну из молекул угарного газа (CO). Теперь, с помощью этой одиночной молекулы происходит «ощупывание» исследуемого вещества. Помимо непосредственно «ощупывания» эта техника позволяет точечно воздействовать на атомы используемой молекулы.

В качестве гладкой подложки исследователи использовали твердый ксенон, охлажденный до пяти кельвинов. На него химики осаждали дигидротриангулен — вещество, молекулы которого обладают тем же углеродным скелетом, что и требуемый триангулен. На атомах углерода, на которых должны располагаться неспаренные электроны, в этой молекуле находятся по дополнительному атому водорода.

С помощью иглы с молекулой угарного газа ученые направленно отрывали эти атомы водорода — попросту прикладывая к системе электрическое напряжение. После этого молекула превратилась сначала в монорадикал, а затем и в искомый бирадикал, стабильный благодаря низкой температуре и инертному окружению. По словам авторов, полученная система — очень хорошая модель для изучения взаимодействий между парой электронных спинов.

Как отмечает Филип Мориарти, специалист по манипуляции одиночными атомами из Университета Ноттингема, авторы продемонстрировали принципиально новый подход к химическому синтезу. Кроме ксеноновых подложек химики воспользовались также кристаллами меди и хлорида натрия. Мориарти отдельно упоминает необычно высокую стабильность триангулена по отношению к меди — в некоторых экспериментах молекула сохранялась на поверхности на протяжении нескольких дней.

Ранее, благодаря использованию атомно-силовых микроскопов ученые из исследовательского центра IBM научились смыкать и размыкать циклы внутри одиночных молекул, а также увидели связи в аринах — высокоактивных химических соединениях.