“צמיד” טבעתי לסינתזת ננו-מבנים מורכבים

צוות כימאים הצליח לסנתז תצמיד מתכתי חדשני המסוגל לבצע המרות על מבנים פחמניים, תגובה שתוכל, לראשונה אי-פעם, לסלול את הנתיב לבנייתם של ננו-מבנים פחמניים מיוחדים במינם.

צוות כימאים מאוניברסיטת נגויה ביפן הצליח לסנתז תצמיד מתכתי חדשני המסוגל לבצע המרות על מבנים פחמניים. החוקרים הכינו תצמידי כרום חדשניים של החומר ציקלו-פאראפנילן (cycloparaphenylene, CPP) והדגימו את יכולתם של אלו להמיר קבוצה יחידה בטבעת הפחמנית לקבלת חומרי מוצא שיוכלו לשמש בהכנתם של ננו-שפופרות פחמן בעלי מבנים יוצאי דופן. ציקלו-פאראפנילן מורכב משרשרת של טבעות בנזן והוא מהווה את המקטע הקצר ביותר של ננו-שפופרות פחמן. מאז הכנתם ובידודם לראשונה בשנת 2008, ציקלו-פאראפנילנים משכו אליהם תשומת לב רבה בתחומים של מדעי החומרים וכימיה סופרא-מולקולרית.

תוך שהם מיישמים את הידע שלהם בתחום של כימיית כרום, החוקרים הצליחו לבצע את ההכנה הבררנית הראשונה אי-פעם של קבוצה חד-מותמרת על גבי ציקלו-פאראפנילן, תגובה מאתגרת במיוחד בשל נוכחותן של טבעות ארניות פעילות רבות על גבי המבנה הכולל. החוקרים סבורים כי באמצעות הכנה והכוונה בררניות של הקבוצות הפונקציונאליות שעל גבי הטבעת ניתן יהיה לקבל ננו-שפופרות פחמן בעלות תכונות חדשות ומעניינות. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Journal of the American Chemical Society. ממצאי מחקר זה נחשבים צעד משמעותי קדימה בתחומים של כימיית ארנים וכימיה אורגנו-מתכתית.

ארנים (Arenes) ידועים כחומרים המסוגלים להוליד תצמידים עם מתכות מעבר תוך קבלת חומרים בעלי שיעורי פעילות שונים בהשוואה לטבעת החופשית. ציקלו-פאראפנילנים, המורכבים משרשרת של ארנים, מגיבים גם הם עם המתכת כרום לקבלת התצמידים התואמים. באופן מפתיע ומעניין, התוצר העיקרי שהתקבל הכיל קבוצת כרום יחידה הצמודה לטבעת ארנית יחידה מצידה החיצוני, כפי שאומת ע”י מגוון שיטות אנליזה (תמ”ג, ספקטרוסקופית מסות והשתברות קרני-רנטגן). “הכימיה של ארנים וכרום היא תחום מבוסס היטב ולכן החלטנו ליישם את השיטה האורגנו-מתכתית הזו לסינתזה של התצמיד המיוחד שלנו,” מסביר החוקר הראשי. “מאחר וציקלו-פאראפנילנים כוללים בתוכם מספר טבעות ארנים, ציפינו בתחילה שקבוצת הכרום תיצמד לכל אחת מהטבעות,” מוסיף ואומר החוקר. “אולם, ולמרבה ההפתעה שלנו, ראינו כי החומר מגיב עם מתכת הכרום ביחס של 1:1 בכל התנאים השונים שהפעלנו. הדמיות ממוחשבות של המבנה המולקולארי רמזו לנו כי קבוצת הכרום הראשונה הנצמדת למבנה גורמת לירידת הפעילות שלו, ובכך היא מונעת את התגובה עם קבוצת כרום שנייה.”

מחומר זה, החוקרים ניסו לבצע המרות בטבעת הארן. “זו לא הייתה משימה קלה מאחר ותצמידים של ארנים עם כרום הם בדרך כלל רגישים לאוויר ולאור, והתצמידים שלנו לא היו שונים מבחינה זו. אולם החוקרים פעלו בעקשנות בכדי לקבל גביש טהור של התצמיד הראשון מסוג זה,” אמר החוקר הראשי. “לאחר מכן ביצענו את התגובה בכלי עצמו, ללא כל שלבי ביניים, לקבלת הטבעת החד-מותמרת יחד עם היציאה של קבוצת הכרום מהתצמיד.”

חד-המרה בררנית של ציקלו-פאראפנילנים, דהיינו – הכנסתה של קבוצה פונקציונאלית יחידה בעמדה יחידה על גבי טבעת הארן, היא תגובה מאתגרת מאחר וכל קשרי הפחמן-מימן שבטבעות הארן זהים מבחינה כימית. המרה ישירה של ציקלו-פאראפנילנים שאינם בצורת תצמידים בדרך כלל מובילה למספר התמרות על גבי טבעת הארנים באופן בלתי בררני. הגם שחומרים ממשפחה זו (CPPs) הינם מרכיבים נדרשים להכנה של ננו-שפופרות פחמן, עד היום לא הייתה קיימת כל שיטה יעילה להכנתם באופן ישיר.

“אנו מרוצים מאוד מהיכולת להכניס קבוצה פונקציונאלית באופן בררני בעמדה אחת על גבי טבעת הארן בעזרת שימוש בכרום,” מציין החוקר הראשי. “בתור קבוצות להתמרה, השתמשנו בהצלחה בקבוצות סיליל, בוריל ואסטר, אשר הן בתורן ניתנות להמרה לקבוצות שימושיות אחרות. אנו מקווים כי גישה חדשה זו תתפתח ותהפוך לשיטה שימושית להכנתן של ננו-שפופרות פחמן בעלות מבנים ומאפיינים ייחודיים.”

תקציר המאמר
הידיעה על המאמר

חד-התמרה בררנית של ציקלו-פאראפנילן בכלי אחד [באדיבות: ITbM, Nagoya University]