Рисунок. Слева: химическая структура цикло[48]углерода[4]катеннана. Справа: пространственное представление. Источник: Гарри Андерсон.

Химики из Оксфорда наконец-то стабилизировали 48-атомное углеродное кольцо, создав новый редкий аллотроп, который остаётся жидким при комнатной температуре. Раньше это считалось невозможным:

• Химики успешно создали совершенно новую форму углерода.
• Молекула, известная как цикло[48]углерод, содержит 48 атомов углерода, расположенных в виде поразительного кольца из чередующихся одинарных и тройных связей.
• Примечательно, что он достаточно стабилен, чтобы его можно было изучать в жидком состоянии при комнатной температуре, что является первым случаем для структур такого типа.
• Это достижение стало вторым случаем, когда учёным удалось получить новый аллотроп углерода, который можно исследовать в обычных лабораторных условиях.
• Об открытии было сообщено 14 августа в журнале Science.

Прорыв в химии углерода

Исследователи с химического факультета Оксфордского университета успешно создали циклоуглерод, достаточно стабильный для изучения в растворе при комнатной температуре с помощью передовых спектроскопических методов.

Разработка новой молекулярной формы углерода, способной выдерживать обычные лабораторные условия, — крайне редкое явление. Единственный предыдущий успех был достигнут в 1990 году, когда Кретчмер и др. синтезировали фуллерены (Nature 1990).

В ходе этого последнего открытия учёные получили цикло[48]углерод в виде [4]катенана, то есть углеродное кольцо C48 было пропущено через три более крупные молекулярные петли. Эти защитные петли, или макроциклы, защищают кольцо и предотвращают его разрушение, значительно повышая его стабильность.

Рисунок. Наглядное представление цикло[48]углерода [4] катенана. Автор: Гарри Андерсон

Первый циклоуглерод комнатной температуры в растворе

До сих пор чистые углеродные кольца можно было наблюдать только в газовой фазе или при криогенных температурах (от 4 до 10 К). Команда из Оксфорда создала версию, которая остаётся стабильной в жидком растворе при температуре 20 °C и имеет период полураспада 92 часа. Такая стабильность была достигнута благодаря сочетанию нескольких стратегий: использованию макроциклов с резьбой, выбору большого углеродного кольца с минимальной деформацией и разработке щадящих условий реакции для этапа снятия маскировки (когда молекула-предшественник превращается в конечную структуру).

Чтобы подтвердить результат, команда проанализировала циклоуглеродный катенановый полимер с помощью масс-спектрометрии, ЯМР-спектроскопии, УФ-видимой спектроскопии и рамановской спектроскопии. Для всех 48 sp1 атомов углерода был обнаружен один сильный 13C ЯМР-сигнал, что свидетельствует о том, что каждый атом находится в одной и той же химической среде. Это открытие является убедительным доказательством правильности структуры циклоуглеродного катенанового полимера.

Рисунок. Слева направо: авторы исследования Пракхар Гупта, Юэцзе Гао и Гарри Андерсон держат в руках модель части катенана. Фото: доктор Роберт Эйхельманн

Важный шаг для будущих исследований

Ведущий автор исследования доктор Юэцзе Гао (химический факультет, Оксфордский университет) сказал: «Получение стабильных циклоуглеродов во флаконе при температуре окружающей среды — это фундаментальный шаг. Это упростит изучение их реакционной способности и свойств в обычных лабораторных условиях».

Старший автор исследования профессор Гарри Андерсен (химический факультет Оксфордского университета) сказал: «Это достижение знаменует собой кульминацию долгой работы по синтезу циклоуглеродных катенанов, основанной на надежде, что они будут достаточно стабильными для изучения при комнатной температуре. Первоначальное предложение о гранте было написано в 2016 году на основе предварительных результатов, полученных в 2012–2015 годах. Приятно, что мы достигли этого, ведь было много моментов, когда цель казалась нереальной и недостижимой». Эта работа была бы невозможна без выдающегося оборудования для ЯМР-спектроскопии на химическом факультете Оксфордского университета».

Ссылка:“Solution-phase stabilization of a cyclocarbon by catenane formation” by Yueze Gao, Prakhar Gupta, Igor Rončević, Coral Mycroft, Paul J. Gates, Anthony W. Parker and Harry L. Anderson, 14 August 2025, Science. DOI: 10.1126/science.ady6054

В исследовании также приняли участие учёные из Манчестерского университета, Бристольского университета и Центрального лазерного комплекса Лаборатории Резерфорда Эпплтона.