1. Wstęp
Zamysł konstrukcji chinorurek polegał na połączeniu dwu lub większej liczby fragmentów etenowych (etylenowych) za pomocą mostków metylenowych w taki sposób aby powstały pierścienie. Ideę tę ilustruje diagram Schlegela dla dwóch warstw (a) poprzecznych pierścieni sześcioczłonowych, które można poszerzyć o kolejne fragmenty etylenowe z dwiema grupami CH2:
Rysunek b pokazuje rurkę rozbudowaną do trzech warstw połączonych poprzez wiązania podwójne. Na rysunku c pokazano możliwość powielania warstw poprzecznych (dla uproszczenia pokazano to tylko dla n = 1, należy ro rozumieć również w kontekście większych wartości n). Przedrostek chino pochodzi od charakterystycznego układu wiązań podwójnych podobnych do tych występujących w p-benzochinonie. W wypadku m = 0 należy właściwie mówić o chinobeltsach (chinopaskach). Dopiero dla m = 2 i większych właściwsza byłaby nazwa chinorurki.
2. Rozbudowa modeli
Dalsza rozbudowa zachowuje przemienność wiązań podwójnych. Dwuwymiarowa wersja tej idei przedstawia płaski węglowodór C32H20, który zachowuje układ wiązań chinoidowych (sprawdzony na poziomie DFT) i dla dużych rozmiarów takiej płaszczyzny mógłby być chioidowym odpowiednikiem grafenu (zachowanie struktury chinoidowej wymagałoby obecności na niektórych brzegowych atomach węgla ich geometrii tetraedrycznej):
W tym podejściu znajduje się różnica między klasycznymi nanorurkami a ich chinoodpowiednikami. Nanorurki są alotropowymi odmianami węgla. Chinorurki są zasadniczo węglowodorami. Posiadają one skrzydłowe grupy -CH2-. Te grupy wymuszają zmianę charakteru sprzężenia elektronów pi w środkowych fragmentach chinorurek. W nanorurkach mamy do czynienia z układem skondensowanych pierścieni benzenowych. W Wypadku chinorurek obraz wygląda zasadniczo podobnie. Jednak skrzydłowe grupy metylenowe wymuszają chinoidowy układ wiązań podwójnych w cząsteczce. Sugerujemy, że powinno to wpłynąć na charakter przewodnictwa elektronowego wzdłuż tych struktur. Charakter tego przewodnictwa pozostaje na razie niejasny. Zamieszczony poniżej rysunek pokazuje wersję 3D modelu podstawowego. Okazuje się, że dla optymalnej geometrii poprzeczne pierścienie sześcioczłonowe mają charakter cykloheksanu znajdującego się w konformacji krzesłowej:
Rozbudowa modelu podstawowego do trzech warstw poprzecznych zilustrowana jest na poniższym przykładzie 3D. Struktura t została zweryfikowana na poziomie DFT:
Zoptymalizowano szereg struktur chinorurek o różnych wartościach n oraz różnej liczbie warstw poprzecznych. Tabela 1.1. pokazuje, które warianty modeli był przedmiotem obliczeń:
Tabela będzie uzupełniona
Przypadek n = 6 i dwóch warstw poprzecznych (m = 0) pokazuje jedną częstość ujemną. Nie jest jasne, dlaczego częstość ujemna pojawia się w wypadku tego chinopaska. Jednakże rozbudowa struktury o jedną warstwę (do m = 1) pokazuje, że wszystkie wartości własne hessianu są dodatnie i struktura staje się stabilna w warunkach obliczeniowych.
Jako przykład chinorurki o większej średnicy pokazano tę o n = 4 oraz czterech warstwach poprzecznych (m = 3):
2.1. Chinorurka chiralna
Dla większych wartości m pojawia się możliwość przesunięcia końca jednej warstwy względem jego początku. Powstaje wtedy chinobelt (zweryfikowany na poziomie DFT) odpowiednik nanorurek chiralnych. Należy zwrócić uwagę, że w miejscu łączenia przesuniętych pierścieni sześcioczłonowych pojawia się buta-1,3-dienowy układ wiązań podwójnych:
Przedstawiona modyfikacja pozwala na skonstruowanie większej liczby rurek z takim właśnie niechinoidowym układem wiązań podwójnych. Na potrzeby tej pracy nazwano je butadienorurkami.
2.2. Rurki typu armchair
Chinorurki można zbudować również na podstawie konstrukcji typu armchair. Wystarczy ułożyć pierścienie sześcioczłonowe we właściwy sposób i zapewnić aby atomy węgla na końcu i początku rurki miały naprzemiennie hybrydyzację sp3 oraz sp2. Poniżej pokazane zostały trzy przykłady takich modeli dla dwóch, dwóch i pół i trzech pierścieni poprzecznych:
Ostatni model z tego punktu i następne, opracowane wariacje struktur, zostaną pokazane w części drugiej.