Ученые создали молекулярное колесо

Исследователям из Германии, похоже, удалось в очередной раз успешно изобрести колесо, на этот раз молекулярное. Они сообщают об успешном синтезе самого большого на настоящий момент «молекулярного колеса» – молекулы-шестиугольника с молекулярной формулой C1878H2682 и диаметром 12 нанометров.

Руководитель исследования Сигурд Хогер (Sigurd Höger) из Университета Бонна (Германия) отмечает, что сборка больших и плоских молекулярных колес – далеко не такое простое занятие, как может показаться с первого раза. Дело в том, что макроциклические молекулы-колеса с пустыми полостями начинают схлопываться уже при достижении диаметра в 5 нанометров. Исследователи из группы Хогера нашли способ стабилизировать молекулы большего размера, введя в них элемент, привычный для обычных, макроразмерных колес – они добавили в молекулярное колесо молекулярные спицы.


Изображение двенадцатинанометрового молекулярного колеса, полученное с помощью электронной микроскопии (слева). Схематическое изображение шестиугольника, содержащего (в том числе и в спицах) 1878 атомов углерода. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja5096705)

В новой молекуле, в состав которой входит 1878 атомов углерода, спицы расходятся в радиальных направлениях от центральной «втулки» подобно тому, как расположены спицы в велосипедном колесе. Молекулярная втулка представляет собой гексафенилбензольный фрагмент. К каждому из шести фенильных колец присоединяется стрелообразный молекулярный элемент. Древком этой «стрелы» является спица молекулярного колеса, а «острием» – фрагмент его обода. В качестве материала и для спиц, и для обода используются линейные олигофениленэтиниленбутадиинилены. Окончательное формирование углеводорода C1878H2682 происходит при ковалентном объединении сегментов обода молекулярного колеса. В боковых фрагментах обода и спиц содержатся алкильные цепи С12, цель которых – увеличение растворимости молекулярного колеса в органических растворителях.

Суммарный выход, с которым получено мегамолекулярное колесо, в работе не приводится, тем не менее, отмечено, что стадии получения промежуточных веществ протекают с хорошими или отличными выходами. Вещество было изучено с помощью масс-спектрометрии, окончательно его строение и форма были установлены с помощью сканирующей туннельной микроскопии.

Хогер говорит, что высокая общая стоимость получения C1878H2682 практически не оставляет вероятности на его практическое применение, однако эта система может оказаться очень удачной моделью для изучения светособирающих молекулярных электронных устройств. В частности, в планы Хогера входит использование нового молекулярного монстра в качестве шаблона для проверки электроноакцепторных свойств фуллеренов при их применении в устройствах по конверсии солнечной энергии. Исследователи предполагают параллельно ориентировать молекулярные колеса и вложить фуллерены в треугольные поры. Такое расположение позволит фуллеренам образовать ровную стопку, и электроны, высвобождающиеся каким-либо другим материалом, смогут без проблем перескакивать от одной молекулы фуллерена к другой, достигая в итоге электрода.