과학자들, 사이클로[18]카본 최초 합성 및 직접 시각화 성공

연구자들이 처음으로 18개 탄소 원자 고리를 안정화하고 직접 이미징해 난해한 사이클로[18]카본 구조를 확인했습니다.

탄소는 우주에서 가장 풍부한 원소 중 하나로, 각 탄소가 사면체 결합된 다이아몬드의 경도부터 각 탄소가 삼배위인 흑연, 그래핀, 나노튜브, 풀러렌의 평면 시트까지 근본적으로 다른 특성을 보이는 많은 동소체로 존재합니다.

이 중 고리탄소들(각 탄소가 두 이웃과만 결합된 탄소 원자 고리)은 오랫동안 이론적 영역에 머물렀습니다. 수년간 과학자들은 고리 결합이 모두 동일한지(이중 결합) 아니면 짧고 긴 길이로 번갈아 가는지(단일-삼중 결합 번갈아짐)를 논쟁했습니다. 기체상 증거는 존재했지만, 이 분자들의 높은 반응성으로 고립과 상세 특성화가 불가능했습니다. 지금까지는요.

원자 조작으로 사이클로카본 생성 가능

원자 힘 현미경(AFM)으로 분자 이미징과 원자 조작으로 분자 합성 이전 성공을 바탕으로 옥스포드 대학과 IBM 리서치 팀은 사이클로카본 생성, 안정화, 특성화에 나섰습니다.

Figure 1: 왼쪽부터 전구체 C₂₄O₆, 중간체 C₂₂O₄와 C₂₀O₂, 최종 생성물 사이클로[18]카본 C₁₈. 원자 조작으로 CO 마스킹 그룹 해리해 표면에서 생성. 하단 행은 Cu 단일 결정 위 이중층 NaCl에서 CO-기능화 팁으로 얻은 AFM 데이터. 오늘 Science에 게재된 우리 접근법은 5K 불활성 표면에서 원자 조작으로 사이클로카본을 생성하고 고분해능 AFM으로 탐침하는 것이었습니다. 협업은 3년 전 이 오래된 구조 해명이란 공동 목표로 시작되었습니다.

초기 초점은 2배위 탄소 선형 세그먼트, 원자 조작으로 탄소 풍부 소재 생산 경로 탐구에 있었습니다. AFM 팁 전압 펄스로 반응 유도. 그런 세그먼트들이 화학적으로 불활성인 NaCl 이중층으로 코팅된 구리 기판에서 형성될 수 있음을 발견했습니다(Nat. Chem. 10, 853-858, 2018). 이는 표면과의 원치 않는 공유 결합을 방지합니다.

이 성공 후 옥스포드 그룹이 사이클로[18]카본 전구체 C₂₄O₆를 합성했습니다. 18개 탄소 원자에 구조를 안정화하는 6개 CO 그룹이 있는 삼각형 분자입니다. C₂₄O₆에서 C₁₈로 변환은 30년 전 프랑수아 디더리히와 이브 루빈(J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 6870)이 처음 탐구했습니다. 현대 AFM 기술로 이제 제품을 원자 디테일로 봅니다.

AFM으로 NaCl 이중층 위 준비된 C₂₄O₆ 전구체들을 위치시켰습니다. AFM 팁에 전압 펄스 가해 CO 그룹들을 체계적으로 제거했습니다. 2개, 4개 CO 그룹 제거된 중간체 관찰 후 최종 6개 모두 분리해 사이클로[18]카본 형성.

차가운 불활성 표면에서 분자들이 상세 연구에 충분히 안정적으로 남았습니다. AFM 이미지 원형 배열 9개 밝은 로브 드러냈고, 프로브 접근 시 정구각형(나인곤) 모서리로 분해되어 삼중 결합 위치와 일치했습니다. 시뮬레이션 확인 결과 사이클로[18]카본은 번갈아 가며 단일-삼중 결합하는 폴리인 구조 채택. 오랜 논쟁 해결.

이 발견들은 흥미로운 미래 가능성 시사합니다. 원자 조작으로 사이클로카본이나 고리 탄소 산화물 융합해 더 크고 맞춤형 탄소 풍부 분자(잠재적 새 동소체) 생성 가능. 단일 전자 전달 기반 분자 전자공학 길 열림.

sp-혼성화 분자 탄소 동소체, 사이클로[18]카본, Katharina Kaiser, Fabian Schulz, Leo Gross (IBM Research – Zurich); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel, Harry L. Anderson (Oxford University), Science 2019년 8월 15일, doi/10.1126/science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904