科学研究 - 名古屋大学和分子科学研究所成功合成碳纳米“莫比乌斯环”

名古屋大学变革性生命分子研究所的伊丹健一郎教授与分子科学研究所的濑川泰知副教授等合作，全球首次成功合成了“碳纳米莫比乌斯环”。研究团队通过定量分析让带状碳纳米带形成扭曲结构所需较大应变，以合理的方式进行了有机合成。分析合成的碳纳米莫比乌斯环后发现，其具有源自莫比乌斯环拓扑结构的特异性动态行为和光学特性。这一项划时代的成果为开发具有复杂几何结构的新型纳米碳材料开辟了道路。相关内容已发布在Nature Synthesis的网络速报版上。

图1：碳纳米带及碳纳米莫比乌斯环的结构与对应的几何构造（供图：分子科学研究所濑川泰知副教授）

在原子水平上精确合成具有纳米级重复结构的碳纳米材料备受期待。作为重要的一步，利用有机合成化学法合成纳米碳的部分结构——分子纳米碳科学近年来蓬勃发展。但此前合成的分子纳米碳都是环状或带状，几何结构非常简单。要想合成理论化学所预测的具有复杂几何结构的纳米碳，需要开发新的方法。

研究团队首先利用自然科学研究机构的超级计算机进行量子化学计算，定量分析了施加给碳纳米莫比乌斯环的应变能。已知环状分子纳米碳越小，合成的阶段数越少，但反应难度就会升高。碳纳米带可以用12个苯环作为最小分子合成，但碳纳米莫比乌斯环的应变会随着扭曲进一步增大，因此推测需要38个以上的苯环。

图2：碳纳米莫比乌斯环的合成及构造（供图：分子科学研究所濑川泰知副教授）

研究团队根据计算结果，进一步合成了碳纳米莫比乌斯环。该团队2017年成功合成了碳纳米带，此次新开发出了一种对市售有机物菲（phenanthrene）进行左右不对称改性的方法，使依次延伸碳链成为可能。通过合计14个步骤的有机合成，利用之前报告过的碳纳米带分子成功合成了由50个苯环构成的碳纳米莫比乌斯环。

研究团队还尝试用类似的方法合成由30个苯环构成的碳纳米莫比乌斯环，但未能得到目标物质，这证明科学计算的结果在一定程度上是合理的。

研究团队从合成的碳纳米莫比乌斯环中发现了来自莫比乌斯环形状的特殊性质。NMR测量结果显示，碳纳米莫比乌斯环中的扭曲部分在整个分子中快速移动，并整体观测到了均匀的磁性。北海道大学创成研究机构化学反应创成研究基地的土方特任副教授和皮里洛特任助教实施的分子动力学模拟也再现了这种特性，这是一种尽管是带状的，但是没有正反面区别的分子。另外，已知莫比乌斯环具有手性，碳纳米莫比乌斯环的右旋和左旋实际上也是分开的，并确认了各自的紫外可见光吸收的圆二色性。