NUS-chemici hebben een strategie ontwikkeld voor de atomair nauwkeurige synthese van volledig geconjugeerde koolstofnanobelts met zigzagranden (CNB's). Het verkregen molecuul, bekend als octabenzo[12]cyclaceen, wordt erkend als een van de eerste volledig gekarakteriseerde synthetische segmenten van zigzagranden (12, 0) koolstof nanobuis. Dergelijke moleculaire structuren zijn de afgelopen 35 jaar ongrijpbare doelen geweest voor synthetische chemici.

Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) zijn een speciale klasse van koolstofmaterialen die bestaan ​​uit vellen grafeen in een holle buisstructuur met wanden van één atoomdikte. Ze worden beschouwd als een van de meest veelbelovende materialen voor de ontwikkeling van nano-elektronische apparaten van de volgende generatie. Echter, huidige productiemethoden zoals boogontlading en laserverdamping, zijn niet in staat om atomair nauwkeurige synthese van SWCNT's te bereiken, wat hun elektrische en optische eigenschappen beïnvloedt. Als alternatieve methode kan onderzoek heeft zich gericht op CNB's, dit zijn riemvormige moleculen die uitsluitend bestaan ​​uit benzeenringen die cirkelvormig zijn samengesmolten. Deze CNB-moleculen zouden mogelijk kunnen dienen als een zaadje voor de groei van structureel goed gedefinieerde koolstofnanobuisjes. In recente jaren, er is een heropleving van de belangstelling voor de bottom-up organische synthese van CNB's. CNB's met verschillende configuraties zoals leunstoel en chirale randen zijn gesynthetiseerd en volledig gekarakteriseerd, respectievelijk. Echter, de synthese van een unieke configuratie waarbij de fragmenten van zigzagranden (n, 0) CNT's blijven ongrijpbaar (zie figuur (a)).

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof Chi Chunyan van de afdeling Chemie, Nationale Universiteit van Singapore, heeft een strategie ontwikkeld die zowel thermodynamische stabilisatie als kinetische bescherming combineert om een ​​atomair nauwkeurige synthese van een zigzagrand (12, 0) SWCNT-segment. De synthese werd bereikt door twee keer Diels-Alder-additie te gebruiken om eerst een stamvrije voorloper te construeren, gevolgd door reductieve deoxygenatie om een ​​volledig geconjugeerd, gespannen CNB. Een concept dat bekend staat als benzo-annulatie werd toegepast om de resonantiestabilisatie-energie te verhogen, zodat thermodynamische stabiliteit van de uiteindelijke verbinding kan worden bereikt. In de tussentijd, bevestiging van substituenten aan de zigzagranden zou kinetisch cycloadditiereacties voorkomen die oorspronkelijk de geconjugeerde ruggengraatstructuur zouden kunnen vernietigen.

Het onderzoeksteam gebruikte verschillende geavanceerde karakteriseringstools om de structuur van het verkregen octabenzo[12]cyclaceenmolecuul te onderzoeken. Met behulp van monokristallijne röntgendiffractie, ze ontdekten dat het molecuul een zeer symmetrische cilinderachtige geometrie aanneemt (figuren (c) en (d)), vergelijkbaar met die van een koolstof nanobuis. Een kristalstructuur visualisatie, exploratie- en analysesoftware (Mercury) werd gebruikt om de binnendiameter van deze nanobelt te meten, die ongeveer 9,2 Ångstrom is. De onderzoekers voerden ook computationele spanningsanalyse uit op de moleculaire structuur en hun resultaten suggereren dat de fenylgroepen aan de zigzagranden een belangrijke rol spelen bij het bieden van stabiliteit door verdere hydrogeneringsreacties tijdens de vorming van de nanobeltstructuur te voorkomen.

Prof Chi zei, "Onze synthetische benadering en stabiliserende strategie die in dit werk is ontwikkeld, kan de weg vrijmaken voor de bouw van nieuwe soorten koolstofnanostructuren en koolstofnanobuizen voor verschillende toepassingen in elektronica en fotonica."