Onderzoekers creëren lang gezochte koolstofnanobellen met zigzagrand

NUS-chemici hebben een strategie ontwikkeld voor de atomair nauwkeurige synthese van volledig geconjugeerde koolstofnanobellen met zigzagrand (CNB’s). Het verkregen molecuul, bekend als octabenzo[12]cyclaceen, wordt erkend als een van de eerste volledig gekarakteriseerde synthetische segmenten van zigzaggerande (12,0) koolstofnanobuisjes. Dergelijke moleculaire structuren zijn de afgelopen 35 jaar ongrijpbare doelen geweest voor synthetische chemici.

Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT’s) zijn een speciale klasse van koolstofmaterialen die bestaan ​​uit vellen grafeen in een holle buisstructuur met wanden van één atoomdikte. Ze worden beschouwd als een van de meest veelbelovende materialen voor de ontwikkeling van nano-elektronische apparaten van de volgende generatie. De huidige productiemethoden zoals boogontlading en laserverdamping zijn echter niet in staat om atomair nauwkeurige synthese van SWCNT’s te bereiken, wat hun elektrische en optische eigenschappen beïnvloedt. Als alternatieve methode heeft het onderzoek zich gericht op CNB’s, dit zijn riemvormige moleculen die uitsluitend bestaan ​​uit benzeenringen die op een cirkelvormige manier met elkaar zijn versmolten. Deze CNB-moleculen zouden mogelijk kunnen dienen als een kiem voor de groei van structureel goed gedefinieerde koolstofnanobuisjes. In de afgelopen jaren is er een heropleving van de belangstelling voor bottom-up organische synthese van CNB’s. CNB’s met verschillende configuraties, zoals leunstoelen en chirale randen, zijn respectievelijk gesynthetiseerd en volledig gekarakteriseerd. De synthese van een unieke configuratie met de fragmenten van zigzaggerande (n, 0) CNT’s blijft echter ongrijpbaar (zie figuur (a)).

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof Chi Chunyan van het Department of Chemistry, National University of Singapore, heeft een strategie ontwikkeld die zowel thermodynamische stabilisatie als kinetische bescherming combineert om een ​​atomair nauwkeurige synthese van een zigzaggerand (12, 0) SWCNT-segment te bereiken. De synthese werd bereikt door tweemaal Diels-Alder-additie te gebruiken om eerst een stamvrije precursor te construeren, gevolgd door reductieve deoxygenatie om een ​​volledig geconjugeerde, gespannen CNB te verkrijgen. Een concept dat bekend staat als benzo-annulatie werd toegepast om de resonantiestabilisatie-energie te verhogen, zodat thermodynamische stabiliteit van de uiteindelijke verbinding kan worden bereikt. Ondertussen zou bevestiging van substituenten aan de zigzagranden kinetisch cycloadditiereacties voorkomen die oorspronkelijk de geconjugeerde hoofdketenstructuur zouden kunnen vernietigen.

Het onderzoeksteam gebruikte verschillende geavanceerde karakteriseringstools om de structuur van de octabenzo te onderzoeken[12]cyclaceenmolecuul dat ze hadden verkregen. Met behulp van eenkristal röntgendiffractie ontdekten ze dat het molecuul een zeer symmetrische cilinderachtige geometrie aanneemt (figuren (c) en (d)), vergelijkbaar met die van een koolstofnanobuisje. Een kristalstructuur visualisatie-, exploratie- en analysesoftware (Mercury) werd gebruikt om de binnendiameter van deze nanobelt te meten, die ongeveer 9,2 Ångstrom is. De onderzoekers voerden ook computationele rekanalyses uit op de moleculaire structuur en hun resultaten suggereren dat de fenylgroepen aan de zigzagranden een belangrijke rol spelen bij het bieden van stabiliteit door verdere hydrogeneringsreacties tijdens de vorming van de nanobeltstructuur te voorkomen.

Prof Chi zei: “Onze synthetische benadering en stabilisatiestrategie die in dit werk zijn ontwikkeld, kunnen de weg effenen voor de bouw van nieuwe soorten koolstofnanostructuren en koolstofnanobuisjes voor verschillende toepassingen in elektronica en fotonica.”