Olimpiceno

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El Olimpiceno es una molécula orgánica a base de carbono formada por cinco anillos, de los cuales cuatro son anillos de benceno, unidos en la forma de los anillos olímpicos.

La molécula fue concebida en marzo de 2010 como una forma de celebrar los Juegos Olímpicos de Londres 2012 por Graham Richards de la Universidad de Oxford y Antony Williams. Fue sintetizada por primera vez por los investigadores Anish Mistry y David Fox, de la Universidad de Warwick (Reino Unido). Las energías relativas del olimpiceno y sus isómeros fueron predichas por primera vez a partir de cálculos de estructura electrónica cuántica por Andrew Valentine y David Mazziotti, de la Universidad de Chicago.


Historia del olimpiceno

La molécula, de poco más de una mil millonésima parte de un metro de diámetro, recibe su nombre porque sus cinco anillos enlazados se asemejan al símbolo olímpico.

Fue creada por primera vez por colaboradores de la Universidad de Warwick (Reino Unido).

Estructura 3D del olimpiceno

Se asociaron con investigadores de IBM, que en 2009 fueron pioneros en la técnica de obtención de imágenes de una sola molécula con su microscopía de fuerza atómica sin contacto.


El equipo, con sede en IBM Research Zurich, anunció su primer éxito con una molécula llamada pentaceno, cinco anillos hexagonales de carbono enlazados y alineados.

Pero fue el profesor Graham Richards CBE, antiguo director del departamento de química de la Universidad de Oxford y miembro del consejo de la Royal Society of Chemistry (RSC), quien concibió por primera vez la idea de crear una molécula más olímpica en la misma línea.

«Estaba en una reunión del comité de la Real Sociedad de Química en la que tratábamos de pensar qué podíamos hacer para conmemorar los Juegos Olímpicos», explicó el profesor Richards a BBC News.

«Se me ocurrió que la molécula que había dibujado se parecía mucho a los anillos olímpicos, y nunca se había hecho».

El profesor David Fox de la Universidad de Warwick dibujando la estrategia de síntesis del olimpiceno
El profesor David Fox de la Universidad de Warwick dibujando la estrategia de síntesis del olimpiceno

Los investigadores de la Universidad de Warwick Anish Mistry y David Fox emprendieron la tarea de desarrollar una receta química para la molécula y tomaron imágenes preliminares de ella mediante una técnica llamada microscopía de efecto túnel.


Los químicos de la Universidad de Warwick, el Dr. David Fox y Anish Mistry, utilizaron un poco de química orgánica sintética inteligente -la caja de herramientas del diseñador de moléculas moderno- para construir el Olimpiceno.

«Además del reto científico que supone la creación del olimpiceno en el laboratorio, hay algunas razones prácticas de peso para trabajar con moléculas como ésta», dijo el Dr. Fox.

«El compuesto está relacionado con el grafeno, y es uno de una serie de compuestos relacionados que potencialmente tienen interesantes propiedades electrónicas y ópticas.

«Por ejemplo, este tipo de moléculas puede ofrecer un gran potencial para la próxima generación de células solares y fuentes de iluminación de alta tecnología, como los LED».


El Dr. Giovanni Costantini y Ben Moreton, de Warwick, obtuvieron una primera visión de la estructura de la molécula mediante microscopía de efecto túnel. Sin embargo, se necesitaba una técnica de mayor resolución para desentrañar su anatomía a nivel atómico.

Para dar vida al Olimpiceno, el Grupo de Física de Sistemas a Nanoescala de IBM Research – Zúrich (Suiza) analizó la estructura química del Olimpiceno con una resolución sin precedentes mediante una compleja técnica conocida como microscopía de fuerza atómica sin contacto. Con esta técnica, los científicos de IBM obtuvieron imágenes de una sola molécula de olimpiceno de apenas 1,2 nanómetros de ancho, es decir, unas 100.000 veces más fina que un cabello humano.

Ningún método ofrece imágenes tan detalladas de moléculas individuales como la microscopía de fuerza atómica sin contacto, en la que una única molécula de monóxido de carbono, aún más diminuta, se utiliza como una especie de aguja de registro para sondear los surcos de las moléculas con una resolución sin precedentes.

Las imágenes muestran estructuras anulares enlazadas que recuerdan tanto a los anillos olímpicos como a un gran número de compuestos formados por anillos de átomos de carbono, incluido el grafeno.

Sin embargo, el profesor Richards espera que la mayor contribución del Olimpiceno a la química sea la de atraer a más estudiantes hacia ella.


«Las moléculas de esta naturaleza podrían tener un uso comercial, pero mi opinión es que sobre todo queremos despertar el interés por la química provocado por el vínculo con los Juegos Olímpicos», dijo.

Los electrones del olimpiceno

El olimpiceno tiene 18 electrones pi en su sistema de anillos; como es una molécula plana, esto la convierte en una molécula aromática. El anillo central no es un anillo aromático.

Síntesis

La síntesis comienza con una reacción de Wittig del carboxaldehído de pireno. Para obtener el iluro necesario, primero se hace reaccionar la trifenilfosfina con bromoacetato de etilo para formar una sal de fosfonio; tras el tratamiento de esta sal con una base suave, el iluro puede reaccionar con el aldehído en tolueno.

Tras la hidrogenación del compuesto carbonílico insaturado alfa,beta utilizando hidrógeno y paladio en acetato de etilo, el éster se convirtió en el cloruro de ácido utilizando hidróxido de potasio, ácido y luego cloruro de tionilo. Mediante una reacción de Friedel-Crafts con cloruro de aluminio en diclorometano se formó una cetona. Al reducir esta cetona con hidruro de aluminio y litio se obtuvo el alcohol 3,4-dihidro-5H-benzo[cd]pireno-5-ol, que se trató con un ácido en forma de resina de intercambio iónico para obtener el producto.

Imagen de Microscopía de Fuerza Atómica de la molécula de Olimpiceno resolviendo los átomos individuales y los enlaces químicos entre ellos. IBM Research - Zurich, University of Warwick, Royal Society of Chemistry. Publicado en Nature
Imagen de Microscopía de Fuerza Atómica de la molécula de Olimpiceno resolviendo los átomos individuales y los enlaces químicos entre ellos. IBM Research – Zurich, University of Warwick, Royal Society of Chemistry. Publicado en Nature

Las imágenes preliminares del olimpiceno se realizaron mediante microscopía de túnel de barrido. Los investigadores de IBM en Zúrich tomaron imágenes más detalladas utilizando microscopía de fuerza atómica sin contacto en 2012.


Compuestos relacionados

Una molécula muy similar (benzo[c]fenantreno) que carece del espaciador -CH2– entre los dos lados de la molécula se conoce desde hace muchos años. Esta molécula anterior se ha estudiado mediante cristalografía de rayos X y, debido al choque estérico entre dos átomos de hidrógeno, la molécula no es plana. Es probable que el Olimpiceno sea más plano, ya que no existe choque estérico entre los dos anillos.

Hace décadas que se conoce una molécula en la que el espaciador -CH2– ha sido sustituido por un grupo cetona (C=O) (naftrona) Hace tiempo que se conocen moléculas en las que el espaciador CH2 ha sido sustituido por átomos de oxígeno y azufre. El compuesto de azufre tiene un ángulo C-S-C de 104,53°, lo que sugiere que el átomo de azufre es un átomo hibridado sp3 en lugar de ser sp2. Esto sugiere que el átomo de azufre no forma parte del sistema pi de la molécula.

El profesor Sir Martyn Poliakoff, de la Universidad de Nottingham, ha señalado que los anillos olímpicos no están, de hecho, entrelazados, sino que sólo se tocan, y que se podría hacer un mejor parecido utilizando catenanos. En 1994, Fraser Stoddart sintetizó una molécula olímpica a base de catenanos y le dio el nombre de olimpiadano.

Fórmula esquelética del olimpiadano
Fórmula esquelética del olimpiadano
Modelo de los iones componentes del olimpiadano
Modelo de los iones componentes del olimpiadano

El olimpiadano es una molécula mecánicamente entrelazada compuesta por cinco macrociclos entrelazados que se asemejan a los anillos olímpicos. La molécula es un pentacatenano lineal o un [5]catenano. Fue sintetizada y bautizada por Stoddart y sus colaboradores en 1994. La molécula se diseñó sin ningún uso práctico en mente, aunque otros catenanos pueden tener una posible aplicación para la construcción de un ordenador molecular.

Para más información ‘Olympic rings’ molecule olympicene in striking image


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