Nanoringen: nieuwe bouwstenen voor de chemie

Sandwichverbindingen zijn speciale chemische verbindingen die worden gebruikt als basisbouwstenen in de organometaalchemie. Tot nu toe is hun structuur altijd lineair geweest.

Onlangs waren onderzoekers van het Karlsruher Institute of Technology (KIT) en de Universiteit van Marburg de eersten die gestapelde sandwichcomplexen een ring van nanoformaat lieten vormen. Fysische en andere eigenschappen van deze cycloceenstructuren zullen nu verder worden onderzocht. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in Natuur.

Sandwichcomplexen zijn ongeveer 70 jaar geleden ontwikkeld en hebben een sandwichachtige structuur. Twee platte aromatische organische ringen (de “sneetjes brood”) zijn gevuld met een enkel, centraal metaalatoom ertussen. Net als de sneetjes brood zijn beide ringen parallel gerangschikt. Door nog meer lagen “brood” en “vulling” toe te voegen, krijg je driedubbele of meerdere sandwiches.

“Deze verbindingen behoren tot de belangrijkste complexen die worden gebruikt in de moderne organometaalchemie”, zegt professor Peter Roesky van KIT’s Institute for Inorganic Chemistry. Een daarvan is het zeer stabiele ferroceen, waarvoor zijn ‘vaders’ Ernst Otto Fischer en Geoffrey Wilkinson in 1973 de Nobelprijs voor scheikunde ontvingen. Ferroceen bestaat uit een ijzerion en twee vijfledige aromatische organische ringen. Het wordt gebruikt in synthese, katalyse, elektrochemie en polymeerchemie.

Eerste ringen van nanoformaat

Al geruime tijd proberen onderzoekers van het KIT en de Universiteit van Marburg sandwichcomplexen in een ring te rangschikken. “We zijn erin geslaagd kettingen te produceren, maar geen ringen”, zegt Roesky, die het werk van drie teams op de twee universiteiten coördineerde. “Dankzij de keuze van het juiste ‘sneetje brood’ of organisch tussendek zijn we er nu in geslaagd om voor het eerst ringen van nanoformaat te vormen”, zegt professor Manfred Kappes, hoofd van de afdeling Fysische Chemie van Microscopische Systemen bij KIT, en professor Florian Weigend, hoofd van de afdeling Applied Quantum Chemistry van de Universiteit van Marburg.

De nieuwe nanoring bestaat uit 18 bouwstenen en heeft een buitendiameter van 3,8 nanometer. Afhankelijk van het metaal dat als “vulling” van de sandwich wordt gebruikt, ontstaat een oranjekleurige fotoluminescentie. De nieuwe chemische verbinding werd door de onderzoekers “cycloceen” genoemd.

De nanoring wordt door zichzelf bij elkaar gehouden

De drie werkgroepen voerden uitgebreide kwantumchemische berekeningen uit om erachter te komen waarom de moleculen in een ring konden worden gerangschikt en niet langer een aaneenschakeling van sandwichcomplexen vormden. Uit deze berekeningen bleek dat de drijvende kracht achter de ringvorming de energie is die wordt gewonnen door het sluiten van de ring.

“Onze uitdaging was in eerste instantie om een ​​ring te vormen. Zijn andere ringmaten te maken? Heeft deze nanostructuur ongebruikelijke fysische eigenschappen? organometaalchemie. En dit is geweldig”, zegt Roesky.