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具有负曲率的石墨烯片段

来源: X-MOL 2017-08-21 11:48:37

由于碳原子可形成多种类型的化学键，碳可以形成不同的同素异形体，其中最为人们熟知的是金刚石和石墨。金刚石中的碳原子呈sp3杂化态，而石墨中的碳原子呈sp2杂化态。完全由sp2杂化碳原子组成的同素异形体还包括富勒烯、碳纳米管以及石墨烯。这些纳米尺度的碳同素异形体近三十年来在化学、物理、材料科学的研究中占有极其重要的地位。富勒烯和石墨烯的发现也分别获得了诺贝尔化学和物理奖。完全由六边形碳骨架构成的石墨烯是平坦的面，曲率为零；由六边形和五边形碳骨架构成的富勒烯是封闭的球形结构，曲率为正。向六边形网络中引入七边形或八边形碳骨架则形成马鞍形状的曲面，曲率为负。基于带有七边形或八边形的碳原子网络，科学家设计了一系列有趣的三维碳纳米结构和新颖的碳同素异形体。这些结构大多被称为Schwarzite（施瓦茨体）或Mackay晶体。前一个名称来自第一位研究这一类表面的德国数学家Hermann Schwarz，而后一个名称则来源于第一位提出这类三维碳纳米结构的英国晶体学家A. L. Mackay。尽管在碳纳米管的样品中曾经发现过具有负曲率的碳纳米结构，具有确定结构的碳施瓦茨体或Mackay晶体尚未制备得到。现阶段对这类结构的研究主要还是依赖于理论计算。具有负曲率的稠环芳香烃分子不仅具有负曲率的碳纳米结构片段，包含关键的结构信息，还有可能用作前体最终制备具有负曲率的碳纳米结构。因此通过有机合成来制备具有负曲率的稠环芳香烃正成为研究具有负曲率碳纳米结构的前沿方向。

香港中文大学的缪谦（点击查看介绍）研究组最近在这一领域取得了重要进展，成功合成了带有96个碳原子的具有负曲率的稠环芳香烃。该分子包含三十个六元环和一个位于中央的八元环骨架，是目前最大的具有负曲率的石墨烯片段。它在晶体中呈现出扭曲的三维结构，沿两个相互垂直的方向分别扭曲142.4和140.2度。他们从顺-二（对溴苯基）乙烯出发，经五步反应，其中最后一步利用Scholl反应，一次形成了14个C-C键并构建了八元环。通过研究最后一步反应的其他副产物，他们还发现在形成14个C-C键的过程中，八元环是在早期阶段形成的。

有机化学

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