El C18, un nanoanell de carboni

A principis dels anys 80 es coneixien dues formes al·lotròpiques del carboni: el grafit i el diamant (figura 1). Al·lòtrops són substàncies que tenen la mateixa composició (en aquest cas, àtoms de C), però propietats físiques diferents degudes a diferents estructures moleculars. L’any 1985, Smally, Kroto i col·laboradors van detectar ful·lerens, un nou al·lòtrop del carboni. L’any 1991, Iijima i col·laboradors varen descobrir els nanotubs de carboni que es van afegir a la llista d’al·lòtrops coneguts de carboni. I l’any 2004, Gueim i Novosiolov varen sintetitzar grafè per primer cop, el cinquè al·lòtrop de carboni. Molt recentment, a principis de 2019, científics del centre de recerca d’IBM a Suïssa i de la Universitat d’Oxford al Regne Unit han sintetitzat un anell de divuit àtoms de carboni, el C₁₈, i d'aquesta manera han determinat un nou al·lòtrop de carboni. 

Figura 1. Diferents al·lòtrops de carboni.

L’existència de C₁₈ en fase gasosa com a espècie altament reactiva ja s’havia determinat anteriorment en diverses ocasions. Tanmateix, la gran reactivitat i inestabilitat del C₁₈ va impedir la determinació experimental de la seva geometria i va fomentar nombrosos càlculs mecanoquàntics de la seva estructura. Hi ha dues geometries en forma d’anell possibles per al C₁₈: una estructura poliínica de simetria D_9h no aromàtica amb enllaços simples i triples alternatius i una estructura cumulènica de simetria D_18h doblement Hückel aromàtica que només té enllaços C=C dobles (figura 2). Depenent del tipus de càlcul mecanoquàntic que es porti a terme, s’obté com a més favorable l'estructura poliínica o la cumulènica, si bé els càlculs més sofisticats prediuen l’estructura poliínica.

Figura 2. Les dues possibles estructures del C₁₈.

Recentment, Kaiser i col·laboradors han generat una única molècula de C₁₈ mitjançant la manipulació atòmica en una bicapa de NaCl dipositada sobre una superfície de Cu(111) a 5 K. Ho han fet eliminant el monòxid de carboni d’una molècula d’òxid de ciclocarboni, C₂₄O₆, dipositada sobre el NaCl. I ho han aconseguit manipulant l’òxid de ciclocarboni amb la punta d’un microscopi de forces atòmiques per extreure les sis molècules de CO sobrants. D’aquesta manera han pogut generar i caracteritzar mitjançant microscòpia de força atòmica d’alta resolució una molècula de C₁₈. El resultat ha revelat una estructura poliínica amb posicions definides d’enllaços triples i únics alterns (les distàncies d'enllaç determinades amb càlculs teòrics són R_i=1.238 i R_i'=1.383 Å). A diferència de les altres formes al·lotròpiques de carboni, de C₁₈ només se n'ha pogut sintetitzar de moment una molècula.

Per la seva banda, investigadors de l’Institut de Química Computacional i Catàlisi han demostrat mitjançant estudis computacionals que el C₁₈ és una molècula que té molta facilitat per acceptar electrons provinents de diferents molècules donadores d'electrons. Les molècules acceptores d’electrons són components importants en dispositius electrònics moleculars. Per exemple, els ful·lerens tenen un paper important en moltes cèl·lules solars orgàniques. Si mai es troba un mètode de síntesi a gran escala del C₁₈, aquesta molècula podrà potencialment participar com a acceptora d’electrons en cèl·lules solars orgàniques. De moment, però, ens hem de conformar a conèixer la seva estructura. Aquesta troballa ha estat comentada al blog del ChemistryWorld.