Synthèse de cyclo[10]carbone aromatique et de cyclo[14]carbone

Luye Sun, Wei Zheng, Wenze Gao, Faming Kang, Mali Zhao & Wei Xu (Université Tongji de Chine) Nature volume 623, pages 972-976 (2023).

Les matériaux tout carbone basés sur des atomes hybridés sp2, tels que les fullerènes, les nanotubes de carbone et le graphène, ont été largement explorés en raison de leurs propriétés physicochimiques remarquables et de leur potentiel d'application. Une autre famille inhabituelle d'allotropes tout carbone est celle des cyclo[n]carbones (Cn) constitués d'atomes hybridés sp2 à deux coordonnées. Ils sont étudiés en phase gazeuse depuis le XXe siècle, mais leur grande réactivité a rendu difficile la synthèse en phase condensée et la caractérisation en espace réel, laissant leur structure moléculaire exacte ouverte au débat. Ce n'est qu'en 2019 qu'un C18 isolé a été généré sur une surface et que sa structure polyynique a été révélée par microscopie à force atomique résolue par liaison12,13, suivie d'un rapport récent14 sur le C16. Les travaux sur le C18 ont déclenché des études théoriques clarifiant la structure des cyclo[n]carbones jusqu'à C100, bien que la synthèse et la caractérisation des allotropes Cn plus petits restent difficiles.

Les scientifiques modifient l'approche de synthèse en surface antérieure pour produire du cyclocarbone (C10) et du cyclo[14]carbone (C14) via une déshalogénation induite par la pointe et une ouverture rétro-Bergman du cycle de molécules de naphtalène (C10, Cl8) et d'anthracène (C14, Cl10) entièrement chlorées, respectivement. Nous utilisons l'imagerie par microscopie à force atomique et des calculs théoriques pour montrer que, contrairement au C18 et au C16, le C10 et le C14 ont respectivement une structure cumulénique et de type cumulène. Nos résultats démontrent une stratégie alternative pour générer des cyclocarbones en surface, offrant une voie pour caractériser les allotropes annulaires du carbone pour la structure et la stabilité.

Le professeur Xu Wei a déclaré que ces travaux de recherche ont grandement favorisé le développement du carbone cyclique et que la stratégie de synthèse de surface proposée devrait devenir une méthode universelle pour synthétiser une série de carbones cycliques. Parallèlement, le carbone cyclique synthétisé devrait se développer en un nouveau type de matériau semi-conducteur et offrir de vastes perspectives d'application dans les dispositifs électroniques moléculaires.

L'Université Tongji est l'unique auteur de l'article, le professeur Xu Wei est l'unique auteur correspondant et les membres de l'équipe, le Dr Sun Luye et le chercheur spécialement désigné Zheng Wei sont les co-auteurs principaux. Ce travail a été soutenu par le projet Outstanding Youth Science Fund de la National Natural Science Foundation of China.

Références

1) Kroto, H. W., Heath, J. R., O’Brien, S. C., Curl, R. F. & Smalley, R. E. C60 : buckminsterfullerène. Nature 318, 162–163 (1985)

2) Iijima, S. & Ichihashi, T. Nanotubes de carbone monocoque de 1 nm de diamètre. Nature 363, 603–605 (1993).

3) Novoselov, K. S. et al. Effet de champ électrique dans les films de carbone atomiquement minces. Science 306, 666–669 (2004).