同济大学材料科学与工程学院在新型碳同素异形体 ——环型碳的表面精准合成方面取得进展
2024/03/27
图 环型碳C10和C14的表面合成策略与化学结构表征 在国家自然科学基金项目(批准号:22125203)资助下,同济大学材料科学与工程学院许维教授团队在新型碳同素异形体—环型碳的表面精准合成方面取得进展。研究成果以“表面合成芳香性环型碳C10和C14(On-surface synthesis of aromatic cyclo[10]carbon and cyclo[14]carbon)”为题,于2023年11月30日在线发表于《自然》(Nature)杂志。论文链接:www.nature.com/articles/s41586-023-06741-x。 环型碳作为新型的碳同素异形体,由sp杂化的碳构成,其独特的化学结构和电子性质引起了实验和理论学家的极大兴趣。由于环型碳具有非常高的化学活性,因此,自上个世纪以来,科学家只能在气相中进行研究,其凝聚相的合成和表征则极具挑战性,这使得对环型碳的化学结构(累积烯烃或聚炔)和稳定性(环型或线型)的认知一直存有争议。直到2019年,IBM实验室和牛津大学首次在NaCl表面合成了环型碳C18,并利用化学键分辨的原子力显微镜验证了其聚炔型化学结构(Science 365, 2019, 1299-1301)。然而对于更小的环型碳,它们的结构和稳定性仍然是扑朔迷离的。比如,理论预测C10是环型(n ≥ 10)和线型(n < 10)的分界点,同时也是最大的芳香性累积烯烃型环型碳。C14则被预测是从累积烯烃型C10到聚炔型C18的Peierls相变过渡态。 上述研究团队采用不同于C18的合成路线,设计了全氯化萘(C10Cl8)和蒽(C14Cl10)两种前体分子。通过针尖操纵诱导脱卤反应和反伯格曼开环(retro-Bergman ring-opening)反应,成功在其表面上精准合成了两种芳香性环型碳C10和C14。实验表明,C10和C14与C18的聚炔结构不同,均具有累积烯烃结构。理论计算结果表明,C10键长交替为0,而C14存在非常小的键长交替(0.05 Å)。该策略被证实是在表面上合成环型碳的有效方法,并且有望应用于合成其他系列环型碳,并在绝缘衬底上进一步精确测量它们的电子学性质。 |
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