日本名古屋大學變革型生命分子研究所（WPI-ITbM）的伊丹健一郎教授、村上慧特任副教授和松原聰志研究生等人，開發了連接苯環形成八元環結構的新催化反應，確立了簡單精確的三維奈米碳分子合成法。
預計會顯示出優異的物理可用能學性質的三維奈米碳分子，作爲硬度比金剛石更高的高硬度材料、燃料電池材料以及新一代有機電子材料備受關注。不過，目前還無法輕鬆合成能精確控制結構的三維奈米碳分子。此前已知的奈米碳分子大多都是平面二維結構，由於合成困難，所以一直未能充分調查三維奈米碳的物理性質。
此次開發的三維奈米碳合成方法，關鍵在於採用鈀觸媒的新反應。利用該反應可形成由碳構成的八角形結構。含八角形的奈米碳一般都是三維結構。此次在形成八角形的同時，連接了作爲基質的多環芳烴，成功地形成了全新的三維奈米碳分子。
該研究提供了全新的三維奈米碳合成法，將爲有機合成化學、材料科學和觸媒化學帶來巨大的進步。利用該方法合成的奈米碳材料有望廣泛應用於高硬度材料和燃料電池材料等。
＜研究背景＞
僅由碳構成的奈米碳作爲具有多種物理可用能特性的優異功能性分子羣備受關注。例如，富勒烯類（球狀：1996年獲得諾貝爾獎）、奈米碳管（筒狀：1991年發現）和石墨烯（片狀：2010年獲得諾貝爾獎）都是衆所周知的奈米碳材料（圖1A）。含有八元環的週期性三維奈米碳是不屬於上述任何一種類型的全新奈米碳。自1991年Mackay等人提出理論以來，已經提出過各種結構的週期性三維奈米碳方案。預計這些週期性三維奈米碳具有優異的物理可用能特性，比如具有高於金剛石的機械強度和自發磁性等。但這些理論分子極難合成，此前已經嘗試過很多挑戰。
難以合成的終極因數之一在於八元環結構。週期性三維奈米碳會週期性出現八元環結構（圖1B）。因此，要想合成週期性三維奈米碳，需要連續構築八元環。但一般來說，八元環結構本身就很難構築，因此認爲難以有效形成多個八元環（圖2）。如果能利用八元環輕鬆連接週期性三維奈米碳的部分結構——多環芳烴（PAHs），就有望合成三維奈米碳。最終可以成爲能週期性構築八元環，並實施新的功能性材料開發的創新方法。因此，需要開發一種能有效構築八元環的方法。
圖1：奈米碳
（A）奈米碳是僅由碳原子構成的物質。根據結構進行分類 。（B）詳細顯示了三維奈米碳的部分結構。等比增大部分結構可以發現，含有八元環部位。
圖2：以往構築環結構的方法
利用此前已知的連接苯環的方法一般能構築六元環。因此，很難構築彎曲結構的八元環。
＜研究内容＞
研究團隊此次開發了利用鈀觸媒連接多環芳烴（PAHs）來形成八元環的新方法（圖3A）。該方法以PAHs的灣區（Bay Region，4碳單元）帶有氯原子的分子爲基質，透過進行二聚合反應，構築了由8個碳原子（4個碳原子＋4個碳原子）構成的八元環結構。合成的分子具有源自八元環的高度扭曲的結構（三維結構）。
此外，透過利用聯苯撐分子作爲4碳單元進行交叉偶合反應，還全球首次實施了構築八元環的交叉偶合反應。這些催化反應的通用的性比較高，可以有效構築多種三維分子。
具體來說，透過使3個聯苯撐分子作用於具有三個氯位點的三亞苯，可以構築含有三個新的八元環的三維奈米碳分子（圖3C）。這是與週期性三維奈米碳的部分結構相對應的分子，能一次構築多個八元環結構，就這一點而言極其新穎。
圖3：此次研究實施的合成反應
（A）利用鈀觸媒的環化二聚合反應和環化交叉偶合反應（B）三個連續的八元環構築反應
獲得的分子結構如圖4所示。源自八元環的高度彎曲結構是利用以往的方法難以合成的新分子。另外，圖4C是週期性三維奈米碳的部分結構，藍色突出顯示的部分是合成分子的結構。如上所述，透過此次的新方法，率先實施了週期性三維奈米碳的合成。
圖4：透過三個連續的八元環構築反應合成的分子
（A）透過X射線晶體結構解析明確的結構（分子正面）（B）透過X射線晶體結構解析明確的結構（分子側面）（C）擁有類似結構的週期性三維奈米碳的部分結構（對應的部分用藍色突出顯示）（D）空間結構圖
論文資訊
題目：Creation of negatively curved polyaromatics enabled by annulative coupling that forms an eight-membered ring
期刊：Nature Catalysis
DOI：10.1038/s41929-020-0487-0
URL：nature.com/articles/s41929-020-0487-0
文：JST客觀日本編輯部
