«Нано-Сатурн»

На картинке — синтезированный японскими учеными молекулярный «нано-Сатурн», вещество, относящееся к классу комплексов «гость-хозяин» (см. Host–guest chemistry). В качестве гостя («планеты») выступает фуллерен С₆₀, в качестве хозяина («планетарного кольца») — гексамер антрацена.

Комплексы «гость-хозяин» — наиболее известная форма супрамолекулярных систем, то есть ансамблей, состоящих из двух и более молекул, связанных друг с другом с помощью межмолекулярных взаимодействий. В таких комплексах роль хозяина обычно играет большая молекула с полостью в центре, а роль гостя — меньшая по размеру молекула или ион.

Комплексы «гость-хозяин», образованные краун-эфирами (циклические полиэфиры) и катионами щелочных металлов: Li, Na, K. Это были первые комплексы «гость-хозяин», обнаруженные химиками. Краун-эфиры довольно прочно связывают катионы щелочных металлов за счет электростатического взаимодействия положительно заряженного иона металла с накопленными на атомах кислорода отрицательными зарядами. Рисунок с сайта eng.thesaurus.rusnano.com

В «нано-Сатурне» прочный комплекс образуется за счет СН^...π-межмолекулярных взаимодействий (см. Cation–pi interaction). Такие взаимодействия характерны для молекул, состоящих только из углерода и водорода. Возникают они в результате контакта единого электронного облака, образующегося в молекулах, содержащих чередующиеся двойные и одинарные связи углерод-углерод, со свободными орбиталями связей С–Н другой молекулы. Фуллерены, в структуре которых чередуются пяти- и шестичленные циклы, являются идеальными «гостями» для построения таких ансамблей.

Раньше другая группа японских ученых уже получила комплексы «гость-хозяин», в которых фуллерен окружен «поясом» из макроциклической ароматической молекулы — поли-пара-циклофениленом.

Комплекс «гость-хозяин», в котором фуллерен С₆₀ размещается в полости поли-пара-циклофенилена и связан с ним СН^...π-взаимодействиями. Рисунок из статьи T. Iwamoto et al., 2011. Size‐selective encapsulation of C₆₀ by [10]cycloparaphenylene: formation of the shortest fullerene‐peapod

Профессор Синдзи Тойота (Shinji Toyota) из Научного университета Окаямы решил добиться от таких комплексов большего сходства с планетой Сатурн. Поскольку толщина кольца Сатурна (1 км) пренебрежимо мала по сравнению с его внешним диаметром (около 280 000 км), он решил для получения «нано-Сатурна» окружить «планету»-фуллерен плоским углеводородом с большим диаметром внутреннего и внешнего цикла.

Результаты квантовохимического моделирования «нано-Сатурна». Числа между шариком фуллерена и кольцом указывают на расстояние между внутренним атомом водорода кольца и фуллереном (в нанометрах), числа снаружи кольца — угол, на который «лопасти» кольца отклоняются от плоскости экватора «планеты»-фуллерена. Изображение из статьи: Y. Yamamoto et al., 2018. Nano‐Saturn: Experimental Evidence of Complex Formation of an Anthracene Cyclic Ring with C₆₀

Для создания кольца «нано-Сатурна» исследователи получили макроциклическую систему из шести связанных молекул антрацена — ароматического соединения, состоящего из трех шестичленных циклов. Форма и размеры внутренней полости полученного кольца (его внутренний диаметр — 1,03 нм) подходили для размещения в ней «планеты» — фуллерена C₆₀ (диаметр — 1,02 нм), а восемнадцать атомов водорода, направленных во внутреннюю полость, обеспечивали достаточную суммарную прочность СН^...π-взаимодействия для того, чтобы «планета» оказалась связанной с «кольцом».

Способ получения «кольца» для нано-Сатурна — конденсация шести производных ароматической молекулы антрацена. R — объемная группа, направляющая образование макроциклического кольца, необходимого для инкапсуляции фуллерена; cod — циклооктадиен, лиганд, необходимый для образования комплекса-катализатора реакции Ni(cod)2; bipy — бипиридин, toluene — толуол; DMF — диметилформамид. Рисунок из статьи: Y. Yamamoto et al., 2018. Nano‐Saturn: Experimental Evidence of Complex Formation of an Anthracene Cyclic Ring with C₆₀

Образование «нано-Сатурна» было подтверждено как спектральными методами, так и с помощью рентгеноструктурного анализа.

Слева: результат рентгеноструктурного анализа молекулярного «нано-Сатурна» (вид сверху). Справа: полученная на основе этой структуры модель (см. Space-filling model). Изображения из статьи: Y. Yamamoto et al., 2018. Nano‐Saturn: Experimental Evidence of Complex Formation of an Anthracene Cyclic Ring with C₆₀ и дополнительных материалов к ней

Рисунок из статьи Y. Yamamoto, E. Tsurumaki, K. Wakamatsu, S. Toyota, 2018. Nano‐Saturn: Experimental Evidence of Complex Formation of an Anthracene Cyclic Ring with C₆₀.

См. также:
Суперкольца экзо-Сатурна (картинка дня).

Аркадий Курамшин