Científicos sintetizan y visualizan exitosamente Ciclo[18]carbono

Por primera vez, investigadores han estabilizado e imaginado directamente un anillo de 18 átomos de carbono, confirmando la elusiva estructura del ciclo[18]carbono.

El carbono es uno de los elementos más abundantes del universo, existiendo en muchos alótropos que exhiben propiedades radicalmente diferentes —desde la dureza del diamante, donde cada carbono está tetraédricamente enlazado, a las láminas planares de grafito, grafeno, nanotubos y fulerenos, donde cada carbono es tricoordinado.

Entre estos, los carbociclos —anillos de átomos de carbono cada uno enlazado a solo dos vecinos— han permanecido largamente teóricos. Por años, científicos debatieron si los enlaces del anillo eran todos idénticos (enlaces dobles) o alternaban entre longitudes más cortas y largas (alternancia enlace simple-triple). Aunque existía evidencia en fase gaseosa, la alta reactividad de estas moléculas previno aislamiento y caracterización detallada —hasta ahora.

Manipulación atómica permite creación de carbociclos

Basándose en éxitos previos en imagen de moléculas con microscopía de fuerza atómica (AFM) y síntesis de moléculas via manipulación atómica, los equipos de Universidad de Oxford e IBM Research se propusieron crear, estabilizar y caracterizar carbociclo.

Publicado hoy en Science, nuestro enfoque involucró generar carbociclo por manipulación atómica en superficie inerte a 5 K y sondearlo con AFM de alta resolución. La colaboración comenzó hace tres años con el objetivo compartido de desbloquear esta estructura largamente buscada.

Nuestro foco inicial fue en segmentos lineales de carbonos de coordinación doble, explorando rutas para producir materiales ricos en carbono via manipulación atómica —desencadenando reacciones aplicando pulsos de voltaje con la punta AFM. Descubrimos que tales segmentos podían formarse en sustrato de cobre recubierto con bicapa químicamente inerte de NaCl (Nat. Chem. 10, 853‑858, 2018), previniendo enlace covalente no deseado a la superficie.

Tras este éxito, el grupo de Oxford sintetizó un precursor de ciclo[18]carbono —C₂₄O₆, molécula triangular con 18 átomos de carbono más seis grupos CO que estabilizan la estructura. La transformación de C₂₄O₆ a C₁₈ se exploró primero hace 30 años por François Diederich y Yves Rubin (J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 6870). Con técnicas AFM modernas, ahora vemos el producto en detalle atómico.

Usando AFM, localizamos los precursores C₂₄O₆ preparados en la bicapa NaCl. Aplicando pulsos de voltaje a la punta AFM, removimos sistemáticamente grupos CO, observando intermediarios con dos y cuatro grupos CO removidos antes de finalmente desprender los seis y formar ciclo[18]carbono.

En la fría superficie inerte, las moléculas permanecieron estables para estudio detallado. Imágenes AFM revelaron nueve lóbulos brillantes dispuestos en círculo, que, al acercar la sonda, se resolvieron en las esquinas de un enágono —consistente con posiciones de enlaces triples. Simulaciones confirmaron que ciclo[18]carbono adopta estructura polínica con enlaces simples y triples alternados, resolviendo debate largo tiempo.

Estos hallazgos sugieren posibilidades futuras emocionantes. Fusionando carbociclos u óxidos de carbono cíclicos mediante manipulación atómica, podemos crear moléculas ricas en carbono más grandes, personalizadas —potencialmente nuevos alótropos— y allanar camino para electrónica molecular basada en transferencia de electrón único.

An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon, Katharina Kaiser, Fabian Schulz, and Leo Gross (IBM Research – Zurich); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel, and Harry L. Anderson (Oxford University), Science Aug 15, 2019, doi/10.1126/science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904