Químicos usam manipulação atômica para empurrar ciclo[18]carbono à existência

Após cerca de 30 anos tentando diferentes abordagens para produzir um alótropo previsto de carbono, os químicos finalmente o fizeram com um pouco de manipulação atômica. O resultado é um anel de 18 átomos de carbono unidos por ligações simples e triplas (Science 2019, DOI: 10.1126/science.aay1914).

“É um alótropo e uma molécula, e é por isso que essa síntese é tão sensacional”, diz Rik Tykwinski, físico químico orgânico da Universidade de Alberta, que não participou do trabalho.

Na mesma época em que os químicos descobriram e caracterizaram outro alótropo de carbono, fulerenos, cálculos sugeriram que moléculas de carbono menores poderiam existir teoricamente como anéis - os chamados ciclo[n]carbonos. Mas, sem serem capaz de produzir, isolar e caracterizar as moléculas, os químicos só podiam especular sobre suas propriedades, como a forma como os átomos de carbono seriam ligados. Os pesquisadores agora conseguiram criar e caracterizar a estrutura do ciclo[18]carbono. Sua síntese combinou técnicas em nível atômico com moléculas precursoras que os químicos usaram para tentar fazer o alótropo nos anos 80.

Em 2016, Leo Gross e seus colegas de trabalho na IBM Research-Zurich demonstraram como eles poderiam usar pulsos de tensão da ponta da agulha de um microscópio de corrente de tunelamento para quebrar ligações em uma molécula, uma por uma, e depois inspecionar o que haviam feito por microscopia de força atômica (MFA). Quando Przemyslaw Gawel, um pós-doutorando no laboratório de Harry Anderson na Universidade de Oxford, viu Gross apresentar esse trabalho em uma conferência, ele viu uma oportunidade de usar a técnica da IBM para obter os anéis de carbono previstos. Gawel se apresentou e os dois grupos começaram a colaborar para construir o alótropo cíclico.

“Com minha formação em física, posso entender que é muito importante estudar e estabilizar um novo alótropo de carbono”, diz Gross. Mas ele acrescenta que ficou surpreso e contente com a facilidade do alótropo. “Fazer esta molécula parecia um tiro no escuro”, ele admite.

Ao trabalhar em modelos de sistemas para este projeto, a equipe primeiro mostrou que eles poderiam empurrar alcenos para se juntarem e formarem um fio molecular (Nat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0067-y). No novo trabalho, Katharina Kaiser, uma aluna de doutorado da IBM, usou o método para extrair moléculas de monóxido de carbono de um precursor de anéis múltiplos para, eventualmente, produzir ciclo[18]carbono. “É muito mais fácil quebrar coisas do que fazer coisas”, diz Gross. Ele acrescenta que o grupo deseja usar esse anel e seus precursores como blocos de construção moleculares para moléculas personalizadas e eletrônica molecular.

Kaiser também usou o AFM para explorar a estrutura da molécula e descobriu que a molécula tem simetria nônupla. A combinação dessa observação com cálculos permitiu à equipe determinar que o ciclo[18]carbono é composto de uma sequência alternada de ligações simples e triplas, em vez da alternativa, um anel contínuo de ligações duplas.

Na década de 1980, quando ele era um estudante de doutorado na Universidade da Califórnia, Los Angeles, tentando produzir ciclo[18]carbono, Yves Rubin sintetizou as moléculas precursoras que a equipe ressuscitou para seu novo trabalho. Agora, de volta à UCLA como líder de grupo, Rubin ainda está trabalhando em moléculas ricas em carbono. Ele diz que o trabalho é “um resultado muito esperado”.

Tykwinski concorda, comparando a descoberta à dos fulerenos. “Este é um estudo bem inteligente, um marco na química de carbono.”