化学家们开发完全共轭锯齿边碳纳米带(CNBs)的原子精确合成策略

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新加坡国立大学(National University of Singapore)的化学家们开发了一种完全共轭锯齿边碳纳米带(CNBs)的原子精确合成策略。获得的分子被称为octabenzo[12]环烯,被认为是第一个完全表征的锯齿状(12,0)碳纳米管合成片段(Angewandte Chemie International Edition,“Synthesis of a Sidewall Fragment of a (12,0) carbon nanotube”)。在过去的35年里,这种分子结构一直是合成化学家难以实现的目标。

化学家们开发完全共轭锯齿边碳纳米带(CNBs)的原子精确合成策略

(a)视觉突出显示的部分显示了作为这项工作的一部分合成的(12,0)碳纳米管(八苯并[12]环并苯)的侧壁片段。该化合物的X射线晶体结构显示(b)键长分析,(c)侧视图和(d)顶视图。粉红色突出显示的原子与叔丁基相连,为清楚起见,将其省略。(图片:韩毅)


单壁碳纳米管(SWCNT)是一类特殊的碳材料,包括中空管结构的石墨烯片,其壁厚为一个原子厚度。它们被认为是开发下一代纳米电子器件的最有前途的材料之一。


但是,当前的生产方法(例如电弧放电和激光汽化)无法实现SWCNT的原子精确合成,这会影响SWCNT的电学和光学性能。作为一种替代方法,研究集中在CNB上,它们是仅由以环状方式稠合在一起的苯环组成的带状分子。


这些CNB分子可能潜在地充当结构明确的碳纳米管生长的种子。近年来,人们对CNB的自下而上的有机合成产生了兴趣。具有不同构型的CNB(例如扶手椅和手性边缘)已被分别合成和充分表征。但是,包含锯齿状(n,0)锯齿状CNT片段的独特构型的合成仍然难以捉摸(见图(a))。


由新加坡国立大学化学系的CHI Chunyan教授领导的研究小组开发了一种策略,该策略将热力学稳定化和动力学保护相结合,实现了锯齿形(12,0)SWCNT片段的原子精确合成。

化学家们开发完全共轭锯齿边碳纳米带(CNBs)的原子精确合成策略

通过两次使用Diels-Alder加成法,首先构建无应变的前体,然后进行还原性脱氧,以获得完全共轭的应变CNB,从而完成了合成。应用了一种称为苯并环的概念来增加共振稳定能,从而可以实现最终化合物的热力学稳定性。


同时,取代基在锯齿形边缘上的附着将在动力学上阻止环加成反应,该反应可能最初破坏了共轭骨架结构。


该研究小组使用了几种先进的表征工具来研究他们获得的八苯并[12]环并苯分子的结构。他们使用单晶X射线衍射发现该分子采用高度对称的圆柱状几何形状(图(c)和(d)),类似于碳纳米管。


晶体结构的可视化,探索和分析软件(Mercury)用于测量该纳米带的内径,该内径约为9.2。研究人员还对分子结构进行了计算应变分析,他们的结果表明,锯齿形边缘的苯基通过在纳米带结构形成过程中防止进一步的氢化反应,在提供稳定性方面起着重要作用。


迟教授说,我们在这项工作中开发的合成方法和稳定化策略可以为在电子和光子学中各种应用的新型碳纳米结构和碳纳米管的建造铺平道路。


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