Síntesis química de una nanocinta de Möbius de carbono

Por Francisco R. Villatoro, el 4 agosto, 2022. Categoría(s): Ciencia • Noticias • Química • Science

En general, los físicos sabemos muy poco de química (yo solo estudié una asignatura en primer curso). A pesar de ello nos asombran los avances de la síntesis en química orgánica. Se ha publicado en la revista Nature Synthesis (que nació este año) la primera síntesis de una molécula con forma de cinta de Möbius, un cicloparafenileno formado por anillos de benceno conectados por enlaces covalentes. El mismo grupo de investigación que logró en 2017 sintetizar una nanocinta de carbono ha logrado ahora que adquiera la topología no trivial de una cinta de Möbius, una superficie no orientable con una sola cara. En esencia la idea usada es similar a lo que se usaría para convertir una cinta de papel en una cinta de Möbius usando tijeras y pegamento, pero usando como tijeras la reacción intermolecular de Wittig y como pegamiento la reacción de homoacoplamiento intramolecular mediado por níquel de Yamamoto. La verdad, yo no sabía que estas cosas se pudieran hacer. Se ha verificado que la nanocinta presenta quiralidad topológica usando espectroscopía de dicroísmo circular y con espectroscopía de resonancia magnética nuclear.

El artículo es Yasutomo Segawa, Tsugunori Watanabe, …, Kenichiro Itami, «Synthesis of a Möbius carbon nanobelt,» Nature Synthesis 1: 535–541 (19 May 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s44160-022-00075-8; más información divulgativa en Tavis W. Price, Ramesh Jasti, «Carbon nanobelts do the twist,» Nature Synthesis 1: 502-503 (30 May 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s44160-022-00075-8.

Ya se había logrado sintetizar moléculas con forma de cinta de Möbius; por ejemplo, la mostrada en la figura en la parte superior izquierda, propuesta de Walba et al. (1982). Desde entonces ha habido muchos propuestas, incluyendo moléculas aromáticas de doble cadena las de Nishigaki et al. (2019), parte superior derecha de la figura, y Wang et al. (2021), parte inferior derecha. La curiosidad de obtener moléculas con forma de cinta de Möbius ha llevado a muchos químicos a obtener muchas propuestas, que resumir aquí nos llevaría mucho espacio.

La gran novedad del nuevo trabajo es que se ha realizado una síntesis con una reacción de homoacoplamiento reductivo a partir de un precursor cíclico que conduce a nanocintas (n,n)CNB si se usa un número par de unidades (n = 4, 6, 8, …) y nanocintas de Möbius (n,n)MCNB si se usa un número impar (n = 9, 11, 13, …). No todas estas moléculas son igual de estables y se han usado cálculos con la teoría del funcional densidad (DFT) para determinar cuáles serían más fáciles de sintetizar. Por ejemplo, la entalpía para el último paso de la síntesis (ΔHFBF medida en kcal/mol) se ha estimado para (6,6)CNB en ΔHFBF   = 40.2 kcal/mol y para (7,7)MCNB en ΔHFBF = 121.1 kcal/mol. Como objetivo para demostrar la técnica se síntesis se usaron las moléculas (15,15)MCNB con ΔHFBF = 51.1 kcal/mol y (25,25)MCNB con ΔHFBF = 29.6 kcal/mol. Como se observa estas entalpías dismuyen conforme crece n, lo que indica que es más fácil de sintetizar las moléculas con mayor n.

Para los químicos lo más interesante es la ruta de síntesis. Les recomiendo consultar el artículo (figura 3) donde se explica con cierto detalle. A mí me resulta difícil explicarlo bien, por ello evito el esfuerzo de intentarlo. Lo que más me han llamado la atención son las reconstrucciones de las moléculas sintetizadas. Para el caso de la (25,25)MCNB, la molécula C280H260O20 mostrada en esta figura se estima que tiene una forma elíptica con un eje largo con diámetro ~38 Å y un eje corto con ~30 Å.

Se han estudiado sus propiedades fotoquímicas, con máximos de absorción a 389 y 409 nm, y un pico de absorción más pequeño a 477 nm. También se ha observado fluorescencia azul verdosa con máximos a 480, 513 y 551 nm para una excitación a 380 nm.

Esta figura muestra el espectro de de dicroísmo circular (CD) que revela la quiralidad originada por la topología de Möbius. El artículo no menciona posibles aplicaciones de estas moléculas, así que no me atrevo a conjeturar ninguna. Y no te voy a contar nada más; lo siento por los químicos a quienes gustaría muchísima más información, para ya se sabe que los físicos sabemos muy poco de química; por supuesto, como siempre, si quieres más, disfruta leyendo el artículo que para eso es de acceso abierto.



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