Синтез ароматического цикло[10]углерода и цикло[14]углерода

Луе Сунь, Вэй Чжэн, Венце Гао, Фаминг Кан, Мали Чжао и Вэй Сюй (Китайский университет Тунцзи), том природы 623, страницы 972–976 (2023).

Полностью углеродные материалы на основе sp2-гибридизованных атомов, такие как фуллерены, углеродные нанотрубки и графен, были тщательно изучены из-за их замечательных физико-химических свойств и потенциала для применения. Еще одним необычным семейством полностью углеродных аллотропов являются цикло[n]углероды (Cn), состоящие из двухкоординированных sp-гибридизованных атомов. Они изучались в газовой фазе с двадцатого века, но их высокая реакционная способность означала, что синтез в конденсированной фазе и характеристика в реальном пространстве были сложными, оставляя их точную молекулярную структуру открытой для обсуждения. Только в 2019 году был получен изолированный C18 на поверхности, и его полиинная структура была выявлена с помощью атомно-силовой микроскопии с разрешением связей12,13, за которой последовал недавний отчет14 о C16. Работа с C18 положила начало теоретическим исследованиям, проясняющим структуру цикло[n]углеродов вплоть до C100, хотя синтез и характеристика более мелких аллотропов Cn остаются сложными.

Ученые модифицируют более ранний подход синтеза на поверхности для получения циклоуглерода (C10) и цикло[14]углерода (C14) посредством дегалогенирования, вызванного наконечником, и ретро-разрыва кольца Бергмана полностью хлорированных молекул нафталина (C10, Cl8) и антрацена (C14, Cl10) соответственно. Мы используем визуализацию атомно-силовой микроскопии и теоретические расчеты, чтобы показать, что, в отличие от C18 и C16, C10 и C14 имеют кумуленовую и кумуленоподобную структуру соответственно. Наши результаты демонстрируют альтернативную стратегию получения циклоуглеродов на поверхности, предоставляя возможность для характеристики кольцевых аллотропов углерода для структуры и стабильности.

Профессор Сюй Вэй заявил, что эта исследовательская работа значительно способствовала развитию циклического углерода, и ожидается, что предложенная стратегия поверхностного синтеза станет универсальным методом синтеза серии циклических углеродов. Между тем, ожидается, что синтезированный циклический углерод превратится в новый тип полупроводникового материала и будет иметь широкие перспективы применения в молекулярных электронных устройствах.

Университет Тунцзи является единственным автором статьи, профессор Сюй Вэй является единственным автором-корреспондентом, а члены команды доктор Сунь Луе и специально назначенный исследователь Чжэн Вэй являются соавторами. Эта работа была поддержана Национальным естественнонаучным фондом проекта «Выдающийся научный фонд для молодежи Китая».

Ссылки

1) Kroto, H. W., Heath, J. R., O’Brien, S. C., Curl, R. F. & Smalley, R. E. C60: бакминстерфуллерен. Nature 318, 162–163 (1985)

2) Iijima, S. & Ichihashi, T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603–605 (1993).

3) Novoselov, K. S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 306, 666–669 (2004).