具有納米級周期性的碳材料被稱為納米碳



具有納米級周期性的碳材料(例如石墨烯和碳納米管)被稱為“納米碳”,有望成為輕便,功能強大的下一代材料。由于其電子和機械性能根據結構而有很大不同,因此需要僅針對具有所需性能的納米碳結構的精確合成方法。在這種情況下,近年來,有機合成被用來精確地合成具有部分碳納米結構的分子的“分子納米碳科學”受到了關注,因此,世界范圍內正在進行許多研究項目。

具有納米級周期性的碳材料被稱為納米碳

迄今為止,已經合成了許多具有富勒烯,石墨烯和碳納米管(分子納米碳)的部分結構的分子。但是,從拓撲結構的角度來看,它們具有相對簡單的結構。另一方面,已經從理論化學的觀點預測了具有復雜結構的許多納米碳,例如甜甜圈形(torus)或盤繞形碳,因此研究人員對這種碳的未知性質感興趣。納米碳。作為這種納米碳的精確合成的第一步,由JST-ERATO項目小組負責人瀨川康友(Yasutomo Segawa)和JST-ERATO項目主任兼ITbM中心主任Itami Kenichiro領導的團隊提出了“拓撲分子納米碳”,是具有復雜拓撲結構的分子納米碳。

在這項研究中,他們成功地合成了具有基本結構類型的結和鏈烷的分子納米碳。分別從1960年代和1980年代開始合成稱為鏈環和結的分子。近年來,人們期望將此類分子應用于分子機器(納米規模的機器),并且由于獲得2016年諾貝爾化學獎的原因而廣為人知。但是,為了產生結或鏈環的結構,引入氮原子或氧原子并將該結構誘導為使用此類原子作為墊腳石的拓撲結構所必需的。因此,必須開發一種新的合成方法來合成帶有節或鏈烷的分子納米碳。

分子納米碳“環對亞苯基”是碳納米管的部分結構,是直徑約為1納米的環狀分子,僅由苯組成。他們認為,在合成環對亞苯基的過程中,通過使用硅原子作為暫定扣,他們將能夠引入結或鏈烷。由于這些硅原子可以在以后除去,因此最終可以獲得僅由碳骨架組成的結或鏈烷。

圖2和圖3顯示了綜合概述。首先,準備C形分子并將兩個C形分子的中心與硅原子連接。其次,通過與鎳的反應連接每個C形分子的末端,以產生兩個環。第三,使用氟(氟化四丁基銨)去除硅原子。最后,使用與鈉的反應,將其轉化成分子“全苯鏈烷”,其中兩個環對亞苯基幾何連接。通過這種合成方法,他們已經成功地從一對由12個苯組成的環上合成了聯烷。他們使用相似的方法合成了2毫克的鏈烯,其中兩個大小不同的環鍵合在一起,一個環由12個苯組成,另一個由9個苯組成。

進一步應用該合成方法,他們合成了帶有結的全分子結的拓撲分子納米碳,“全苯結”由于難度更大而被稱為“不可維持的分子”。正如其他先驗研究揭示的那樣,可以通過在適當位置布置兩個試驗性緊固件來生成分子結的拓撲結構,他們設計了具有兩個硅原子的前體作為試驗性緊固件。如圖3所示,他們通過合成其中U形分子與硅原子結合的分子,然后在碳納米管中加工該單元,成功地合成了我們靶向的“碳結”的全苯結。與全苯鏈烷相同的方法(均偶聯反應,氟化和鈉還原反應)。用X射線晶體學確認該分子有一個結(圖1)。此外,他們還證明了存在由我們的研究小組從計算科學的角度合成為部分結構的,包含全苯結的碳納米托(甜甜圈狀納米碳)的存在,并表明全苯結的合成是邁向拓撲納米碳合成的重要一步。

接下來,他們證明了那些新合成的分子具有源自節或鏈環的特定特性。觀察到在由光激發由兩個大小不同的環組成的鏈烷之后,激發能非常迅速地從較大的環轉移到較小的環。鏈烷結構是驗證環之間相互作用的效果的唯一方法,其中每個環的對稱性均得到完美維持。這次的實驗已經證明這些環通過鏈烷結構電子相互作用。




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