Un atomo di carbonio unisce molecole piatte in strutture 3D

Piatto va bene per un foglio di carta. Per molte molecole utili, invece, è un problema. In uno studio pubblicato su Nature, i ricercatori dell'Università di Osaka riferiscono che un singolo atomo di carbonio può dare loro profondità, unendo in un solo passaggio due molecole piatte in una struttura tridimensionale.

Le molecole risultanti si chiamano spirocicli, nei quali due anelli condividono un solo atomo di carbonio. Le due metà si trovano ad angolo retto, come due carte da gioco incastrate a croce, e questo rende le strutture rigide e stabili. Proprio questa stabilità le rende importanti per le celle solari e altri materiali elettronici. La difficoltà sta nel carbonio centrale, che deve formare quattro legami separati in un unico punto. Un atomo di carbonio libero è estremamente instabile, e i sostituti usati in precedenza potevano unire le molecole solo attraverso i loro doppi legami.

Il team di Osaka, guidato da Hayato Fujimoto, ha scelto di lavorare invece con i legami singoli carbonio-carbonio. Un catalizzatore al rodio rompe questi legami nelle molecole piatte chiamate bifenileni, mentre PINC, un reagente stabile che funziona come un atomo di carbonio «confezionato», inserisce un carbonio nello spazio creato. Il risultato sono quattro nuovi legami carbonio-carbonio attorno a un unico carbonio centrale. Per verificare da dove provenisse quel carbonio, i ricercatori hanno marcato PINC con una forma tracciabile di carbonio, e la marcatura è finita esclusivamente al centro della nuova molecola. La reazione è stata eseguita anche su scala del grammo con un'attrezzatura da laboratorio standard.

Per un chimico, la caratteristica più utile potrebbe essere il controllo. Secondo l'autore senior Mamoru Tobisu, regolare la temperatura decide se il metodo unisce due molecole identiche o due molecole diverse, aprendo la strada a strutture 3D altrimenti difficili da realizzare. Il team riferisce inoltre che il metodo tollera una varietà di gruppi chimici e può accoppiare un bifenilene con un doppio legame carbonio-carbonio.

Cambia il punto di partenza. I chimici che progettano nuove molecole funzionali possono partire da semplici blocchi piatti e arrivare a architetture 3D complesse in un solo passaggio, con applicazioni potenziali che vanno dai materiali elettronici alle celle solari. Lo studio è un risultato di laboratorio, e gli autori descrivono un approccio, non un prodotto. Non viene indicata alcuna scadenza per un uso industriale, e lo studio non riporta quantità di produzione oltre la scala del grammo.