近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜平武教授課題組提出了彎曲大共軛碳納米管片段結(jié)構(gòu)合成的新策略，首次實(shí)現(xiàn)了利用納米管稠環(huán)封端“帽子”模板構(gòu)建縱向切割的納米管彎曲片段。該工作通過精確設(shè)計(jì)，利用彎曲型環(huán)己烷分子通過鎳催化的偶聯(lián)反應(yīng)，巧妙地構(gòu)建了三維納米籠結(jié)構(gòu)，隨后通過芳香化反應(yīng)，合成了基于納米石墨烯單元封口的鋸齒型碳納米管片段。該研究成果以“A Three-Dimensional Capsule-like Carbon Nanocage as a Segment Model of Capped Zigzag [12, 0] Carbon Nanotubes: Synthesis, Characterization, and Complexation with C70”?為題發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)(Angewandte Chemie International Edition)》上(DOI:10.1002/anie.201804031)。
碳納米管是一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，組成碳納米管的?C=C?共價(jià)鍵是自然界中最穩(wěn)定的化學(xué)鍵之一，呈現(xiàn)出許多優(yōu)越的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。具有單一尺寸和手性的碳納米管材料在納米科技、能源化學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力，但是合成長度和尺寸單一的碳納米管是合成化學(xué)和材料化學(xué)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。從精確結(jié)構(gòu)控制的角度考慮，利用自下而上的方法是控制制備碳納米管的理想策略之一，典型的環(huán)對(duì)苯撐結(jié)構(gòu)可以看作是扶手椅型碳納米管的最短片段，可作為制備碳納米管的理想前體或模板，近幾年受到了科研人員廣泛的關(guān)注。然而對(duì)于碳納米管的另一主要類型-鋸齒型碳納米管的前體或模板的研究卻十分有限，主要由于鋸齒型碳納米管的最短片段環(huán)并苯的合成仍是一個(gè)巨大的難題，目前尚未見報(bào)道。合理設(shè)計(jì)構(gòu)建碳納米管片段，可作為制備超純碳納米管的理想前體或模板，對(duì)其骨架進(jìn)行π-共軛延伸，可望得到結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上接近碳納米管的新型功能材料。
該研究組基于前期在碳納米管片段新結(jié)構(gòu)合成方面的系列工作，通過過渡金屬鈀、鎳等催化的偶聯(lián)反應(yīng)連接彎曲稠環(huán)共軛片段前體，成功合成了以兩個(gè)石墨烯單元（六苯并蔻）為封端“帽子”的鋸齒型[12,0]碳納米管彎曲共軛片段，首次提出了縱向切割碳納米管構(gòu)建基元的策略（下圖）。研究人員還通過與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊上峰教授和浙江工業(yè)大學(xué)莊桂林教授合作，結(jié)合理論模擬計(jì)算，研究了其與富勒烯C70之間選擇性超分子相互作用，發(fā)現(xiàn)其與C70之間存在1：1的選擇性結(jié)合現(xiàn)象。這種通過三個(gè)彎曲型分子連接兩個(gè)石墨烯單元方法可直接得到納米籠狀結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建封端鋸齒型碳納米管提供了新思路。論文的第一作者為中科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料系的在讀博士研究生崔勝勝。
利用納米管稠環(huán)封端“帽子”模板構(gòu)建縱向切割的納米管彎曲片段
上述研究工作得到科技部、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目等的支持。
化學(xué)慧定制合成事業(yè)部摘錄
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
