科學研究 - 名古屋大學和分子科學研究所成功合成碳奈米「莫比烏斯環」

名古屋大學變革性生命分子研究所的伊丹健一郎教授與分子科學研究所的瀨川泰知副教授等合作，全球首次成功合成了「碳奈米莫比烏斯環」。研究團隊透過定量分析讓帶狀碳奈米帶形成扭曲結構所需較大應變，以合理的方式進行了有機合成。分析合成的碳奈米莫比烏斯環後發現，其具有源自莫比烏斯環位相結構的獨特性動態行為和光學特性。這一項劃時代的成果爲開發具有複雜幾何結構的新型奈米碳材料開闢了道路。相關内容已發佈在Nature Synthesis的網路速報版上。

圖1：碳奈米帶及碳奈米莫比烏斯環的結構與對應的幾何構造（供圖：分子科學研究所瀨川泰知副教授）

在原子水平上精確合成具有奈米級重複結構的碳奈米材料備受期待。作爲重要的一步，利用有機合成化學法合成奈米碳的部分結構——分子奈米碳科學近年來蓬勃隊形變換。但此前合成的分子奈米碳都是環狀或帶狀，幾何結構非常簡單。要想合成理論化學所預測的具有複雜幾何結構的奈米碳，需要開發新的方法。

研究團隊首先利用自然科學研究機構的超級計算機進行量子化學計算，定量分析了施加給碳奈米莫比烏斯環的應變能。已知環狀分子奈米碳越小，合成的階段數越少，但反應難度就會升高。碳奈米帶可以用12個苯環作爲最小分子合成，但碳奈米莫比烏斯環的應變會隨着扭曲進一步增大，因此推測需要38個以上的苯環。

圖2：碳奈米莫比烏斯環的合成及構造（供圖：分子科學研究所瀨川泰知副教授）

研究團隊根據計算結果，進一步合成了碳奈米莫比烏斯環。該團隊2017年成功合成了碳奈米帶，此次新開發出了一種對市售有機物質菲（phenanthrene）進行左右不對稱改性的方法，使依次延伸碳鏈成爲可能。透過合計14個步驟的有機合成，利用之前報告過的碳奈米帶分子成功合成了由50個苯環構成的碳奈米莫比烏斯環。

研究團隊還嘗試用類似的方法合成由30個苯環構成的碳奈米莫比烏斯環，但未能得到目標物質，這證明科學計算的結果在一定程度上是合理的。

研究團隊從合成的碳奈米莫比烏斯環中發現了來自莫比烏斯環形狀的特殊性質。NMR測量結果顯示，碳奈米莫比烏斯環中的扭曲部分在整個分子中快速行程，並整體觀測到了均勻的磁性。北海道大學創成研究機構化學反應創成研究基地的土方特任副教授和皮裏洛特任助教實施的分子動力學模擬也再現了這種特性，這是一種儘管是帶狀的，但是沒有正反面區別的分子。另外，已知莫比烏斯環具有手性，碳奈米莫比烏斯環的右轉和左轉實際上也是分開的，並應答了各自的紫外可見光吸收的圓偏光二色性。