同濟大學許維教授最新Nature：芳香族環[10]碳和環[14]碳的表面合成

【導讀】

基于sp²雜化原子的全碳材料，如富勒烯、碳納米管和石墨烯，由于其顯著的物理化學性質和潛在的應用價值而備受關注。另一個不尋常的全碳同素異形體家族是由兩個配位的sp雜化原子組成的環[n]碳(C_n)。它們自二十世紀以來一直在氣相中被研究，但它們的高反應活性意味著凝聚相合成和實空間表征一直具有挑戰性，使得它們的確切分子結構有待商榷。僅在2019年，通過鍵分辨原子力顯微鏡揭示了在表面生成的孤立C₁₈及其多炔結構，隨后又有關于C₁₆的最新報道。盡管較小的C_n同素異形體的合成和表征仍然十分困難，但C₁₈工作激發了理論研究，闡明了直到C₁₀₀的環[n]碳結構。

【成果掠影】

今日，同濟大學許維教授課題組改進了早期的表面合成方法，通過針尖誘導全氯代萘(C₁₀C_l8)和蒽(C₁₄Cl₁₀)分子的脫鹵和反伯格曼開環分別制備了環[10]碳(C₁₀)和環[14]碳(C₁₄)。本工作使用原子力顯微鏡成像和理論計算表明，與C₁₈和C₁₆相比，C₁₀和C₁₄分別具有類似于聚星蟲和累積雙鍵化合物的結構。本工作的結果證明了一種在表面生成環碳的替代策略，為表征環狀碳同素異形體的結構和穩定性提供了一種途徑。相關論文以題為“On-surface synthesis of aromatic cyclo[10]carbon and cyclo[14]carbon”的論文發表在Nature上。

【數據概況】

圖1. 形成環[10]碳和環[14]碳的反應方案? 2023 Springer Nature Limited

圖2. 環[10]碳的四種可能結構? 2023 Springer Nature Limited

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圖3. 表面生成的前驅體、中間體和產物(C₁₀)? 2023 Springer Nature Limited

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圖4. 表面生成的中間體，產物(C₁₄)和不同BLAs的C₁₄的AFM模擬? 2023 Springer Nature Limited

【成果啟示】

總之，本工作在4.7?K的NaCl/Au(111)雙層表面上通過原子操縱成功地生成了芳香環[10]碳和環[14]碳，這使得本工作通過鍵分辨AFM成像證實了C₁₀的堆積結構，正如理論預測的那樣。更有趣的是，皮爾斯相變中間體(Peierls-transition intermediate)C₁₄的實驗AFM圖像也顯示出累積特性。雖然AFM成像分辨率不足以檢測該分子計算得到的0.05??的小鍵長變化，但它的確將C₁₄識別為介于聚炔C₁₀和聚炔C₁₈之間的中間結構。本工作預計，本工作和以前的表面合成策略的補充將使其他可能表現出有趣性質的環[n]碳的生成成為可能。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06741-x

本文由溫華供稿。