Anelli nanometrici scoperti: sorprendenti nuovi mattoncini per la chimica

La nuova struttura molecolare in cui si formano complessi sandwich di dimensioni nanometriche è chiamata ‘ciclocene’. Credito: Nature / AOC, KIT

Nuovi composti per la chimica organometallica: i complessi sandwich nella forma di anelli sono tenuti insieme dalla loro stessa energia

I composti sandwich sono speciali composti chimici utilizzati come mattoni di base nella chimica organometallica. Fino ad ora, la loro struttura è sempre stata lineare. Recentemente, i ricercatori dell'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) e dell'Università di Marburg sono stati i primi a fare in modo che i complessi sandwich impilati formassero un anello di dimensioni nanometriche. Le proprietà fisiche ed altre di queste strutture ciclocene saranno ora oggetto di ulteriori indagini.

I composti sandwich sono stati sviluppati circa 70 anni fa e presentano una struttura a forma di sandwich. Due anelli organici aromatici piatti (i "fette di pane") sono riempiti con un singolo atomo di metallo centrale al loro interno. Come le fette di pane, entrambi gli anelli sono disposti in parallelo. Aggiungendo ulteriori strati di "pane" e "ripieno" si ottengono sandwich tripli o multipli.

"Questi composti sono tra i complessi più importanti utilizzati nella chimica organometallica moderna", afferma il professor Peter Roesky dell'Istituto di Chimica Inorganica del KIT.

Uno di essi è il ferrocene altamente stabile, per il quale i suoi "padri" Ernst Otto Fischer e Geoffrey Wilkinson sono stati insigniti del Premio Nobel per la Chimica nel 1973. Il ferrocene è composto da un ione di ferro e due anelli organici aromatici a cinque membri. Viene utilizzato in sintesi, catalisi, elettrochimica e chimica dei polimeri.

Da qualche tempo, i ricercatori del KIT e dell'Università di Marburg hanno cercato di organizzare i complessi sandwich in un anello. "Siamo riusciti a produrre catene, ma non anelli", afferma Roesky, che ha coordinato il lavoro di tre squadre delle due università.

"Grazie alla scelta della giusta 'fetta di pane' o piattaforma intermedia organica, siamo finalmente riusciti a formare per la prima volta anelli di dimensioni nanometriche", affermano il professor Manfred Kappes, responsabile della Divisione di Chimica Fisica di Sistemi Microscopici presso il KIT, e il professor Florian Weigend, responsabile dell'Unità di Chimica Quantistica Applicata dell'Università di Marburg.

Il nuovo nanoanello è composto da 18 blocchi di costruzione e ha un diametro esterno di 3,8 nanometri. A seconda del metallo utilizzato come "ripieno" del sandwich, si ottiene una fotoluminescenza di colore arancione. I ricercatori hanno chiamato il nuovo composto chimico 'ciclocene'.

I tre gruppi di lavoro hanno effettuato complesse calcolazioni chimiche quantistiche per scoprire perché le molecole potevano essere disposte in un anello e non formavano più una catena di complessi sandwich. Questi calcoli hanno rivelato che la forza trainante per la formazione dell'anello è l'energia guadagnata dalla chiusura dell'anello.

"La nostra sfida iniziale era quella di formare un anello. Possono essere prodotte altre dimensioni di anelli? Questa nanostruttura possiede proprietà fisiche insolite? Ciò sarà oggetto di ulteriori ricerche. Ma è chiaro ora che abbiamo aggiunto un nuovo mattoncino al nostro set di strumenti della chimica organometallica. Ed è fantastico", afferma Roesky.