Sandwichverbindingen zijn speciale chemische verbindingen die worden gebruikt als basisbouwstenen in de organometaalchemie. Tot nu toe is hun structuur altijd lineair geweest.

Onlangs waren onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Universiteit van Marburg de eersten die gestapelde sandwichcomplexen een ring van nanogrootte lieten vormen. Fysische en andere eigenschappen van deze cycloceenstructuren zullen nu verder worden onderzocht. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in Nature .

Sandwichcomplexen zijn ongeveer 70 jaar geleden ontwikkeld en hebben een sandwichachtige structuur. Twee platte aromatische organische ringen (de "sneetjes brood") zijn gevuld met daartussen een enkel centraal metaalatoom. Net als de sneetjes brood zijn beide ringen parallel gerangschikt. Door nog meer lagen "brood" en "vulling" toe te voegen, ontstaan ​​drie of meerdere sandwiches.

"Deze verbindingen behoren tot de belangrijkste complexen die worden gebruikt in de moderne organometaalchemie", zegt professor Peter Roesky van het KIT-instituut voor anorganische chemie. Eén daarvan is het zeer stabiele ferroceen, waarvoor zijn ‘vaders’ Ernst Otto Fischer en Geoffrey Wilkinson in 1973 de Nobelprijs voor de Scheikunde ontvingen. Ferroceen bestaat uit een ijzerion en twee aromatische organische vijfringen. Het wordt gebruikt in de synthese, katalyse, elektrochemie en polymeerchemie.

Eerste ringen op nanoformaat

Onderzoekers van het KIT en de Universiteit van Marburg proberen al geruime tijd sandwichcomplexen in een ring te rangschikken. "Het is ons gelukt kettingen te produceren, maar geen ringen", zegt Roesky, die het werk van drie teams aan de twee universiteiten coördineerde. "Dankzij de keuze voor het juiste 'sneetje brood' of het organische tussendek zijn we er nu voor het eerst in geslaagd ringen van nanoformaat te vormen", zegt professor Manfred Kappes, hoofd van de afdeling Fysische Chemie van Microscopische Systemen bij KIT, en professor Florian Weigend, hoofd van de eenheid Toegepaste Kwantumchemie van de Universiteit van Marburg.

De nieuwe nanoring bestaat uit 18 bouwstenen en heeft een buitendiameter van 3,8 nanometer. Afhankelijk van het metaal dat als "vulling" van de sandwich wordt gebruikt, ontstaat een oranjekleurige fotoluminescentie. De nieuwe chemische verbinding werd door de onderzoekers 'cycloceen' genoemd.

De nanoring wordt door zichzelf bij elkaar gehouden

De drie werkgroepen voerden uitgebreide kwantumchemische berekeningen uit om erachter te komen waarom de moleculen in een ring konden worden gerangschikt en niet langer een keten van sandwichcomplexen vormden. Uit deze berekeningen bleek dat de drijvende kracht achter de ringvorming de energie is die wordt gewonnen door de ringsluiting.

“Onze uitdaging was in eerste instantie om een ​​ring te vormen. Kunnen er andere ringgroottes geproduceerd worden? Heeft deze nanostructuur ongebruikelijke fysische eigenschappen? Dit zal onderwerp van verder onderzoek zijn. Maar nu duidelijk is dat we een nieuwe bouwsteen aan onze gereedschapskist hebben toegevoegd organometaalchemie. En dit is geweldig”, zegt Roesky.

Meer informatie: Luca Münzfeld et al, Synthese en eigenschappen van cyclische sandwichverbindingen, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06192-4

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Karlsruhe Instituut voor Technologie