可翻转的双层碳纳米环

碳纳米环（carbon nanohoop）是由苯环对位连接成环的一类具有径向共轭的分子，可视为碳纳米管的最小片段。早在80多年前，人们就对于碳纳米环的合成进行了尝试，然而直到2008年，碳纳米环才首次被合成。自此之后，对于碳纳米环的研究得到快速发展，并迅速由合成化学扩展至材料科学、超分子化学等领域。近年来，基于碳纳米环的新型拓扑结构如碳纳米带、碳纳米笼、分子结等已被成功合成，但从原子精度上高效构建这类分子目前仍存在很大的挑战。

近日，天津大学孙哲教授（点击查看介绍）团队通过高效的缩合反应，成功将两个碳纳米环以刚性芳香骨架连接，从而首次制备了具有刚性骨架的双层碳纳米环分子。该分子中碳纳米环可通过围绕连接基团进行翻转，从而实现顺式和反式构型的互变。

利用变温核磁技术，翻转过程的动力学得以揭示。该团队通过对不同温度下核磁信号的半峰宽进行计算得出该异构过程的活化能为10.1 kcal/mol，与理论计算的翻转能垒 (9.0 kcal/mol) 一致，从而证明顺式和反式构型在室温下快速互变，而在低温下采取能量较低的反式构型。值得注意的是，由于该分子独特的给体-受体-给体 (D-A-D) 结构，其在二氯甲烷溶液中最大发射波长为616 nm，有效斯托克位移达276 nm，量子产率高达80%，是目前仅有的最大发射超过600 nm且具有高量子产率的碳纳米环分子。另外，基于[10]CPP的环尺寸可以与C₆₀进行特异性的结合，该团队研究了此分子与C₆₀的结合行为。通过Job Plot方法可以确定结合的化学计量比为1：2，同时通过紫外可见吸收滴定可以得出结合常数K₁= (4.15 ± 0.58) × 10⁵ M^-1，K₂= (3.63 ± 0.44) × 10³ M^-1。这也是首例可结合两个富勒烯客体的碳纳米环类主体分子。

该工作报道了一类可翻转的双层碳纳米环分子。其简单高效的合成、独特的光学物理性质和主客体化学使其有望在发光材料、多孔材料、智能材料等领域有潜在应用价值。

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Dimeric Cycloparaphenylenes with Rigid Aromatic Linker

Ke Li, Zhanqiang Xu, Han Deng, Zhennan Zhou, Yanfeng Dang, Zhe Sun

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202016995

导师介绍

孙哲

https://www.x-mol.com/university/faculty/211013