日本科学技术署 全苯链烷的合成路线(上)和结(细节)
首先，氯原子(氯)部分通过与镍反应形成碳碳键
之后，用氟去除硅原子，然后通过与钠反应转化成苯环来去除卷曲部分
学分:野谷大学 具有纳米尺度周期性的碳材料，如石墨烯和碳纳米管，被称为“纳米碳”，有望成为轻质、高功能的下一代材料
人们要求精确的合成方法只针对具有所需性质的纳米碳结构，因为它们的电子和机械性质因结构而有很大不同
在这种情况下，“分子纳米碳科学”，其中有机合成被用来精确地合成具有纳米碳的部分结构的分子，最近已经受到关注，因此许多研究项目正在世界各地进行
迄今为止，已经合成了许多具有富勒烯、石墨烯和碳纳米管(分子纳米碳)的部分结构的分子
然而，从拓扑学的观点来看，它们具有相对简单的结构
另一方面，已经从理论化学的角度预测了大量具有复杂拓扑结构的纳米碳，例如环形(环面)或线圈形纳米碳，因此研究人员对这种纳米碳的未知性质感兴趣
作为精确合成这种纳米碳的第一步，由JST-ERATO项目组长Yasutomo Segawa和JST-ERATO项目主任兼ITbM中心主任Kenichiro Itami领导的团队提出了“拓扑分子纳米碳”，这是一种具有复杂拓扑结构的分子纳米碳
在这项研究中，他们成功地合成了分子纳米碳与结和链，这是拓扑的基本类型
分别自20世纪60年代和80年代以来，已经合成了称为链状分子和节状分子的分子
近年来，这类分子有望应用于分子机器(纳米机器)，并被公认为获得2016年诺贝尔化学奖的原因
然而，为了产生结或链的结构，有必要引入氮原子或氧原子，并使用这些原子作为垫脚石将结构引入拓扑结构
因此，必须开发一种新的合成方法来合成具有节或链状结构的分子纳米碳
分子纳米碳“环对苯撑”是碳纳米管的部分结构，是直径约为1纳米的环状分子，仅由苯组成
他们认为，在合成环对苯二酚的过程中，通过使用硅原子作为尝试性的紧固件，他们将能够引入结或链
由于这些硅原子可以随后被去除，最终可以得到仅由碳骨架组成的结或链
首先制备C型分子，将两个C型分子的中心与一个硅原子相连
第二，连接每一个C形分子的末端，通过与镍反应生成两个环
第三，用氟(四丁基氟化铵)除去硅原子
最后，与钠的反应被用来将一种分子转化为“全苯链烷”，其中两个环戊二烯是几何结合的
通过这种合成方法，他们成功地由一对由12个苯组成的环合成了链烷
使用类似的方法，他们合成了2毫克的链烷，其中两个不同大小的环结合在一起，一个由12个苯组成，另一个由9个苯组成
一个全苯环的分子结构
x射线结晶学被用来证明这是一个具有纽结拓扑的分子
碳原子是灰色的，氢原子是白色的
学分:名古屋大学 进一步应用这种合成方法，他们合成了带有结的拓扑分子纳米碳，“全苯结”，由于难度较大，可称为“高不可攀分子”
由于其他先前的研究已经揭示了分子结的拓扑可以通过在适当的位置布置两个试探性紧固来产生，他们设计了具有两个硅原子的前体作为试探性紧固
他们第一次成功地合成了以“碳结”为目标的全苯结，方法是合成分子，其中U形分子与硅原子结合，然后用该单元以与全苯链烷相同的方式进行处理(均偶联反应、氟化和钠还原反应)
x光结晶学被用来确认分子有一个结
此外，他们已经证明了碳纳米环(环形纳米碳)的存在，该碳纳米环结合了我们的研究小组从计算科学的角度作为部分结构合成的全苯结，并且发现全苯结的合成是拓扑纳米碳合成的重要一步
接下来，他们已经证明了那些新合成的分子具有源自结或链的特殊性质
据观察，由大小不同的两个环组成的链烷被光激发后，激发能从较大的环非常迅速地转移到较小的环上
链状结构是验证环之间相互作用效果的唯一方法，每个环的对称性都得到很好的保持
这次的实验已经证明了环通过链状结构进行电子相互作用
另一方面，当他们将全苯结溶解在有机溶剂中进行氢原子核的核磁共振测量时，即使在零下95度的低温下也只能观察到一种信号
这表明信号由于非常快速的运动而变平
在超级计算机上进行的模拟强烈表明，这种高速水平运动是由环形旋涡状运动引起的
他们通过合成和分离首次发现了那些很难提前预测的性质
结可以分为左手结和右手结，具有一种叫做手性(e
g
左手和右手之间的手性，它们并不等同，而是在被镜子反射时变得等同)
他们已经成功地将我们这次合成的全苯结分离成左手结和右手结，并证明了所有的l-苯结都表现出圆二色性(在右手方向旋转的光(右圆偏振)和左手方向旋转的光(左圆偏振)之间的不同吸收强度的现象，在具有手性的分子中观察到)，这是由结的手性导出的
进一步发展 这项研究的成果将为合成具有复杂几何结构的纳米碳迈出一大步
由碳骨架构建复杂几何结构如节和链的能力将导致前所未有的复杂纳米碳的设计和合成
此外，该产品可被称为有机化学教科书中的纪念碑，是用创新方法合成非常漂亮的分子的一个例子
它是一个划时代的产品，可以成为新化学发展的起点，因为它有可能完全改变基于几何键结构的分子机器的设计
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