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首次在溫和條件下合成碳納米錐分子及其三甲基苯衍生物

作者:宋檢 時間:2022-12-12 來源:互聯網

在國家自然科學基金創新研究群體項目(批準號:21721001)等資助下,廈門大學謝素原團隊首次在溫和反應條件下合成了碳納米錐分子[1,2](C70H20)及其三甲基苯衍生物(圖),研究成果以“Rational Synthesis of an Atomically Precise Carboncone under Mild Conditions”(溫和條件精準合成碳納米錐)為題,于2019年8月23日在線發表在Science Advances(《科學進展》)上。論文鏈接:http://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw0982。

作為sp2雜化的全碳同素異形體,具有原子分辨的碳錐于1992年由Iijima等人在碳納米管的帽端首次作為結構缺陷被觀察到。隨后,通過電子顯微鏡觀測到一系列碳錐帽上含有1-5個五元碳環的碳錐結構。與零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯不同,碳錐分子具有獨特的錐形和中空結構,作為掃描探針**、電子場發射源和氣體存儲材料等有著特殊的應用價值。分子中五元碳環的數目直接影響碳分子的拓撲結構:石墨烯完全由六元碳環構成,碳錐一般含有1-5個五元碳環,封端碳納米管含有6個五元碳環,開口富勒烯含有7-11個五元碳環,而閉合籠狀富勒烯則含有12個五元碳環。在前期研究工作中,謝素原研究團隊合成了系列新型富勒烯,例如含相鄰五元碳環的小富勒烯C60、低對稱性的C60異構體、含三順聯五元碳環的C54/C56、含相鄰五元碳環和七元碳環的C66/C68/C70等。

在過去的20年中,由于反應條件苛刻、產率較低且產物中伴隨著難以除去的雜質影響,精準合成碳錐分子及其物理化學性質的研究成為一個重大的挑戰。謝素原研究團隊通過“自下而上”的有機合成策略,以碗烯作為基元,通過三步反應構建了剛性碳錐分子。*后一步Scholl反應由碗狀前體一步直接轉化成剛性碳錐分子,克服了大部分的應變張力。通過單晶結構解析,證實該碳錐分子含有C5對稱軸,錐尖上僅有1個五元碳環,錐壁共稠合25個六元碳環,形成2圈完整的稠圈層。理論計算結果證實了該碳錐分子結構非常穩定,其翻轉能壘甚至超過*強的sp2雜化的C-C鍵的解離能。

這一研究結果為精準合成結構可控的碳錐分子[n,m]提供了重要參考,對此類納米碳材料的進一步研究具有重要意義。

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