同济大学许维教授最新Nature：芳香族环[10]碳和环[14]碳的表面合成

【导读】

基于sp²杂化原子的全碳材料，如富勒烯、碳纳米管和石墨烯，由于其显著的物理化学性质和潜在的应用价值而备受关注。另一个不寻常的全碳同素异形体家族是由两个配位的sp杂化原子组成的环[n]碳(C_n)。它们自二十世纪以来一直在气相中被研究，但它们的高反应活性意味着凝聚相合成和实空间表征一直具有挑战性，使得它们的确切分子结构有待商榷。仅在2019年，通过键分辨原子力显微镜揭示了在表面生成的孤立C₁₈及其多炔结构，随后又有关于C₁₆的最新报道。尽管较小的C_n同素异形体的合成和表征仍然十分困难，但C₁₈工作激发了理论研究，阐明了直到C₁₀₀的环[n]碳结构。

【成果掠影】

今日，同济大学许维教授课题组改进了早期的表面合成方法，通过针尖诱导全氯代萘(C₁₀C_l8)和蒽(C₁₄Cl₁₀)分子的脱卤和反伯格曼开环分别制备了环[10]碳(C₁₀)和环[14]碳(C₁₄)。本工作使用原子力显微镜成像和理论计算表明，与C₁₈和C₁₆相比，C₁₀和C₁₄分别具有类似于聚星虫和累积双键化合物的结构。本工作的结果证明了一种在表面生成环碳的替代策略，为表征环状碳同素异形体的结构和稳定性提供了一种途径。相关论文以题为“On-surface synthesis of aromatic cyclo[10]carbon and cyclo[14]carbon”的论文发表在Nature上。

【数据概况】

图1. 形成环[10]碳和环[14]碳的反应方案© 2023 Springer Nature Limited

图2. 环[10]碳的四种可能结构© 2023 Springer Nature Limited

图3. 表面生成的前驱体、中间体和产物(C₁₀)© 2023 Springer Nature Limited

图4. 表面生成的中间体，产物(C₁₄)和不同BLAs的C₁₄的AFM模拟© 2023 Springer Nature Limited

【成果启示】

总之，本工作在4.7 K的NaCl/Au(111)双层表面上通过原子操纵成功地生成了芳香环[10]碳和环[14]碳，这使得本工作通过键分辨AFM成像证实了C₁₀的堆积结构，正如理论预测的那样。更有趣的是，皮尔斯相变中间体(Peierls-transition intermediate)C₁₄的实验AFM图像也显示出累积特性。虽然AFM成像分辨率不足以检测该分子计算得到的0.05 Å的小键长变化，但它的确将C₁₄识别为介于聚炔C₁₀和聚炔C₁₈之间的中间结构。本工作预计，本工作和以前的表面合成策略的补充将使其他可能表现出有趣性质的环[n]碳的生成成为可能。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06741-x

本文由温华供稿。