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我国学者首次合成碳纳米锥分子
2019年11月27日    作者: 姜玮 梁振兴 张国俊 陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金委创新研究群体项目(项目编号:21721001)等资助下,厦门大学谢素原团队首次在温和反应条件下合成了碳纳米锥分子[1,2](C70H20)及其三甲基苯衍生物(图1),研究成果以“Rational synthesis of an atomically precise carboncone under mild conditions”(温和条件精准合成碳纳米锥)为题,于2019年8月23日发表在Science Advances(《科学进展》)上。

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw0982

谢素原20191127.jpg

图1. A: 五种碳锥[n,m] (五元碳环数n=1到5,稠圈层数m=3或4)的图解;B: 碳锥分子[1,2]的单晶结构

作为sp2杂化的全碳同素异形体,具有原子分辨的碳锥于1992年由Iijima等人在碳纳米管的帽端首次作为结构缺陷被观察到。随后,通过电子显微镜观测到一系列碳锥帽上含有1-5个五元碳环的碳锥结构。与零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯不同,碳锥分子具有独特的锥形和中空结构,作为扫描探针尖端、电子场发射源和气体存储材料等有着特殊的应用价值。分子中五元碳环的数目直接影响碳分子的拓扑结构:石墨烯完全由六元碳环构成,碳锥一般含有1-5个五元碳环,封端碳纳米管含有6个五元碳环,开口富勒烯含有7-11个五元碳环,而闭合笼状富勒烯则含有12个五元碳环。在前期研究工作中,谢素原研究团队合成了系列新型富勒烯,例如含相邻五元碳环的小富勒烯C60、低对称性的C60异构体、含三顺联五元碳环的C54/C56、含相邻五元碳环和七元碳环的C66/C68/C70等。

在过去的20年中,由于反应条件苛刻、产率较低、且产物中伴随着难以除去的杂质的影响,因此,精准合成碳锥分子及其物理化学性质的研究成为一个重大的挑战。谢素原研究团队通过“自下而上”的有机合成策略,以碗烯作为基元,通过三步反应构建了刚性碳锥分子。最后一步Scholl反应由碗状前体一步直接转化成刚性碳锥分子克服了大部分的应变张力。通过单晶结构解析,证实该碳锥分子含有C5对称轴,锥尖上仅有1个五元碳环,锥壁共稠合25个六元碳环,形成2圈完整的稠圈层。理论计算结果证实了该碳锥分子结构非常稳定,其翻转能垒甚至超过最强的sp2杂化的C-C键的解离能。

这一研究结果为精准合成结构可控的碳锥分子[n,m]提供了重要参考,对于此类纳米碳材料的进一步研究具有重要意义。

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