Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology, de Universiteit van Cambridge, en de Universiteit van Kopenhagen hebben een zelf-geassembleerde nanokooi gebouwd met een zeer ongebruikelijke nanoruimte:de wanden zijn gemaakt van anti-aromatische moleculen, die over het algemeen als te onstabiel worden beschouwd om mee te werken. Door aannames over de grenzen van nanochemische engineering teniet te doen, de studie creëert een geheel nieuwe nanoruimte voor wetenschappers om te verkennen. Holten ter grootte van nanometers vinden al een reeks nuttige toepassingen in de chemie, geneeskunde en milieukunde.

Wetenschappers, waaronder Masahiro Yamashina van het Tokyo Institute of Technology (JSPS Overseas Research Fellow, destijds) en Jonathan R. Nitschke van de Universiteit van Cambridge, verslag doen van hun werk in het journaal Natuur , beschrijf de constructie van een nieuw type nanoruimte in "een zelf-geassembleerde kooi bestaande uit vier metaalionen met zes identieke anti-aromatische wanden."

Tot nu, veel teams hebben nanokooien ontwikkeld met aromatische wanden, maar geen met anti-aromatische verbindingen, vanwege de uitdagingen die hun inherente instabiliteit met zich meebrengt. Aromaticiteit verwijst naar een eigenschap van ringvormige organische verbindingen die ze zeer stabiel, overwegende dat anti-aromaticiteit verbindingen beschrijft die veel reactiever zijn, vanwege een verschil in het aantal zogenaamde π-elektronen dat door de ring wordt gedeeld.

De zoektocht van het team naar een geschikte bouwsteen voor hun nanokooi leidde hen naar een onderzoek uit 2012 door Hiroshi Shinokubo en collega's in Japan. Deze studie rapporteerde de synthese van een ongewoon stabiel, op nikkel gebaseerde anti-aromatische verbinding genaamd norcorrol. Vervolgens, puttend uit Jonathan R. Nitschke en de expertise van zijn groep op het gebied van zelfassemblage van subcomponenten, het team slaagde erin een kooi met een diameter van drie nanometer te bouwen met een norcorrolskelet.

Om de mate van anti-aromacity in de kooi te onderzoeken, het team voerde kernonafhankelijke chemische verschuiving (NICS) berekeningen uit. De resultaten gaven aan dat de norcorrolpanelen lijken samen te werken om de antiaromacity te verbeteren. De NICS-waarde was constant hoog in het centrale deel van de kooi, wat suggereert dat de panelen elkaar versterken.

De unieke omgeving in de kooi werd verder getest door een reeks gastmoleculen in te kapselen, beginnend met coroneen dat al is ingekapseld in de aromatische kooi.

De onderzoekers veronderstelden dat wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld, gastmoleculen in een kooi met aromatische wanden zouden een afschermend effect ervaren, terwijl die in een kooi met anti-aromatische wanden een ontschermend effect zouden ervaren.

Zoals voorspeld door de theorie, nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie-analyses onthulden een ontschermend effect toe te schrijven aan de anti-aromatische wanden.

Alle gastmoleculen die in het onderzoek werden getest, vertoonden significante chemische verschuivingen in het veld, een indicator van de mate van ontscherming. De verschuivingsverschillen varieerden van 0,7 tot 14,9 delen per miljoen. Van deze, een koolstofnanobelt vertoonde de hoogste mate van downfield-verschuiving die tot nu toe is waargenomen als gevolg van een anti-aromatische omgeving.

De kooi kan worden beschouwd als een nieuw type NMR-shiftreagens, zeggen de onderzoekers, wat betekent dat het een nuttig hulpmiddel kan zijn voor structurele analyse, dat wil zeggen voor het interpreteren van de fijnste structuren van organische verbindingen.

Toekomstig werk zal zich richten op het onderzoeken van chemische reactiviteit in de nanoruimte.