Synthese von aromatischem Cyclo[10]kohlenstoff und Cyclo[14]kohlenstoff

Luye Sun, Wei Zheng, Wenze Gao, Faming Kang, Mali Zhao & Wei Xu (Tongji University of China) Nature Band 623, Seiten 972–976 (2023).

Reine Kohlenstoffmaterialien auf Basis von sp2-hybridisierten Atomen, wie Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen, wurden aufgrund ihrer bemerkenswerten physikochemischen Eigenschaften und ihres Anwendungspotenzials intensiv erforscht. Eine weitere ungewöhnliche Familie reiner Kohlenstoffallotrope sind die Cyclo[n]Kohlenstoffe (Cn), die aus zweifach koordinierten sp-hybridisierten Atomen bestehen. Sie werden seit dem 20. Jahrhundert in der Gasphase untersucht, aber ihre hohe Reaktivität hat die Synthese in kondensierter Phase und die Charakterisierung im Realraum zu einer Herausforderung gemacht, sodass ihre genaue Molekülstruktur zur Debatte steht. Erst 2019 wurde ein isoliertes C18 auf einer Oberfläche erzeugt und seine polyinische Struktur durch bindungsaufgelöste Rasterkraftmikroskopie12,13 aufgedeckt, gefolgt von einem aktuellen Bericht14 über C16. Die Arbeit über C18 löste theoretische Studien aus, die die Struktur von Cyclo[n]Kohlenstoffen bis hin zu C100 aufklärten, obwohl die Synthese und Charakterisierung kleinerer Cn-Allotrope weiterhin schwierig ist.

Die Wissenschaftler modifizieren den früheren Ansatz der Oberflächensynthese, um Cyclokohlenstoff (C10) und Cyclo[14]kohlenstoff (C14) durch spitzeninduzierte Dehalogenierung und Retro-Bergman-Ringöffnung von vollständig chlorierten Naphthalin- (C10, Cl8) bzw. Anthracen-Molekülen (C14, Cl10) zu erzeugen. Wir verwenden Rasterkraftmikroskopie und theoretische Berechnungen, um zu zeigen, dass C10 und C14 im Gegensatz zu C18 und C16 eine cumulenartige bzw. cumulenartige Struktur haben. Unsere Ergebnisse zeigen eine alternative Strategie zur Erzeugung von Cyclokohlenstoffen auf der Oberfläche und bieten einen Weg zur Charakterisierung ringförmiger Kohlenstoffallotrope hinsichtlich Struktur und Stabilität.

Professor Xu Wei erklärte, dass diese Forschungsarbeit die Entwicklung von zyklischem Kohlenstoff stark gefördert habe und dass die vorgeschlagene Oberflächensynthesestrategie voraussichtlich zu einer universellen Methode für die Synthese einer Reihe von zyklischen Kohlenstoffen werden werde. Gleichzeitig werde sich der synthetisierte zyklische Kohlenstoff voraussichtlich zu einem neuen Typ von Halbleitermaterial entwickeln und habe breite Anwendungsaussichten in molekularen elektronischen Geräten.

Die Tongji-Universität ist der alleinige Autor des Papiers, Professor Xu Wei ist der alleinige korrespondierende Autor und die Teammitglieder Dr. Sun Luye und der speziell ernannte Forscher Zheng Wei sind die Co-Erstautoren. Diese Arbeit wurde vom Outstanding Youth Science Fund-Projekt der National Natural Science Foundation of China unterstützt.

Verweise

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

2）Iijima, S. & Ichihashi, T. Einschalige Kohlenstoffnanoröhren mit 1 nm Durchmesser. Nature 363, 603–605 (1993).

3）Novoselov, K. S. et al. Elektrischer Feldeffekt in atomar dünnen Kohlenstofffilmen. Science 306, 666–669 (2004).