Ciclodeshidrogenación catalizada por superficies fullerenos a partir de precursores aromáticos

Resumen

En los últimos años, distintos materiales moleculares basados en el carbono han adquirido gran interés debido tanto a sus propiedades físico-químicas como a sus potenciales aplicaciones.1,2 Dentro de la gran cantidad de estos compuestos un lugar especial está reservado para los fullerenos,3 los nanotubos4 y, muy recientemente para el grafeno,5,6 como así también para toda una serie de moléculas relacionadas. Los heterofullerenos,7 los endofullerenos8 y sistemas mixtos formados por fullerenos y otras moléculas orgánicas9 son ejemplos de éstos. Campos tan diversos como la nanociencia,9,10 la nanotecnología,11,12 la investigación en nuevos materiales, la medicina o la biología13,14 han propuesto una gran cantidad de posibles aplicaciones para estos compuestos moleculares. Por ejemplo, se han obtenido compuestos superconductores15,16 con fullerenos a los que se les agregan metales alcalinos, y transistores de efecto de campo17 con fullerenos y endofullerenos. La combinación de polímeros del tipo donor con fullerenos del tipo aceptor ha permitido el estudio de células solares para la obtención de energía.18 Algunos derivados organometálicos de los fullerenos, solubles en agua, han mostrado una actividad significativa contra el virus de la inmunodeficiencia que provoca la enfermedad del SIDA.19¿21 Estas ideas forman parte del campo de la nanotecnología. La V VI combinación de moléculas son la base de lo que se ha llamado química supramolecular surgida en los años 60 a raíz de los trabajos realizados por Jean Marie Lehn, Charles J. Pedersen y Donald J. Cram. La química supramolecular es la química de los enlaces intermoleculares, que estudia las estructuras y funciones de entidades formadas por dos o más especies químicas. Al mismo tiempo, los hidrocarbonos policíclicos aromáticos (PAHs), moléculas formadas esencialmente por anillos de carbono y átomos de hidrógeno, han sido sintetizadas y caracterizadas en numerosos estudios.22 A diferencia de los fullerenos, estas moléculas poseen normalmente una estructura plana o con una pequeña helicidad o curvatura. Dentro de la gran cantidad de PAHs disponibles hoy en día, varios trabajos se han centrado en la síntesis de uno particular que permita, al menos de forma teórica, su transformación en un fullereno.23 El año 2001 se presentó como un punto de inflexión en este tema, Scott et al. lograron transformar el PAH C60H30 23 en C60.24,25 El C60H30 es un PAH casi plano con forma de trébol de tres hojas que mediante un proceso de deshidrogenación y transformación topológica pudo convertirse en un fullereno como el C60. Fue sintetizado por primera vez en el año 1999 de forma paralela por Sarobe et al.26 y, con un alto nivel de pureza, por Gómez- Lor et al.23 El método experimental utilizado para transformarlo en un fullereno consistió en suministrar energía al PAH en fase gaseosa por medio de un láser de alta potencia. Como resultado de este experimento alrededor del 0.1 - 1 % de dichas moléculas se transformaron en fullerenos, al mismo tiempo que el 99 % restante se descomponía en un producto carbonáceo por efecto del láser. Aunque no es posible tener un alto nivel de control al aplicar el láser y la eficiencia en la transformación es muy baja, estos experimentos mostraron que existe al menos un camino para transformar PAHs, como el C60H30, en fullerenos, como el C60. Por otro lado, la física de superficies ha desarrollado a lo largo de Resumen VII años gran cantidad de técnicas experimentales que permiten caracterizar y manipular sistemas a escalas nanométricas. Entre estas herramientas destaca el microscopio de efecto túnel (STM) por su alto nivel de resolución lateral y su capacidad para observar moléculas individuales. La idea central del trabajo de tesis que aquí presentamos se basa en demostrar que una deshidrogenación catalizada por superficies de ciertos PAHs, sintetizados de manera que exista una relación topológica entre ellos y un fullereno, da lugar a la formación del correspondiente fullereno. Para probar esta hipótesis se utilizarán técnicas experimentales del campo de la física de superficies. La física experimental de superficies presenta dos importantes ventajas en este tema en comparación con otras técnicas. Por un lado permite un alto nivel de detalle en la caracterización de sistemas de tamaño nanométrico, como pueden ser las capas moleculares, y por el otro, permite aprovechar las propiedades catalíticas de algunas superficies para favorecer dicha transformación. Ésta idea, que hemos llamado ¿Surface- Catalysed Cyclodehydrogenation¿ (SCCDH)27 es la que desarrollaremos en tesis. Hipótesis y organización de la tesis. La hipótesis de este trabajo es que las superficies de algunos materiales pueden favorecer la deshidrogenación inducida por temperatura de PAHs del tipo C60H30, de manera que éstos se curven espontáneamente para formar, con un alto nivel de eficiencia y control, fullerenos o moléculas relacionadas. Probar esta hipótesis implica estudiar y caracterizar distintas etapas que pueden ser resumidas en: 4 Sintetizar PAHs, que posean una estructura tal que permita su transformación topológica en fullerenos, en cantidades macroscópicas y con un alto nivel de pureza. En este trabajo se han utilizado el C60H30, el C57H33N3,28 y el C57H27D6N3 sintetizados por la Dra. Berta Gómez-Lor en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)a. 4 Depositar los PAHs en un entorno de Ultra Alto Vacío (UHV) mediante sublimación sobre superficies con propiedades catalíticas, como por ejemplo de platino, de forma controlada. 4 Romper los enlaces entre los átomos de hidrógeno y los precursores mediante un proceso catalítico activado por temperatura. 4 Probar que los PAHs, sin hidrógenos, se pliegan espontáneamente sobre sí mismos, uniéndose los respectivos átomos de carbono, como ocurre en un recortable, para formar un fullereno.