Published: 01 May 2020
导读
双原子碳（C2）在历史上是一种难以捉摸的化学物种。长期以来，人们认为C2的产生需要极高的物理能量，如碳弧或多光子激发，因此人们普遍认为基态的C2的固有性质在实验上是不可接近的。本文介绍了在室温或更低的温度下，在烧瓶中由高价炔基-λ3-碘烷化学合成了C2，并证明实验获得的C2具有四重键的单重双自由基特性，解决了实验和理论之间长期存在的争议，以及C2在自下而上的化学合成纳米碳（如石墨、碳纳米管和C60）中充当分子元素。
关键词
碳纳米管和富勒烯 化学键 物理化学 反应机理
背景简介
C2研究历史：
为了在实验上制备/捕获C2并测量其物理化学性质，人们做了大量的工作。第一个成功的人工合成C2的例子是在高真空条件下使用电碳弧，并在光谱上得到证实。随后由Skell率先进行的化学捕获研究表明，C2以7:3到8:2的比例表现为单重二卡宾和三重双自由基的混合物（图1a）。气相中两个碳小分子（乙炔、乙烯、四溴乙烯等）在红外或紫外辐射下的多光子解离也产生了C2，但这种光生C2也表现出几种电子态。最近，还报道了其他分离C2的方法，即使用强电子供体配体通过与配位作用（L:→C2←:L）来稳定C2，但这种稳定的配合物不再保留C2的原始特征（图1b）。理论/计算模拟的结果表明，C2只有在基态下具有四重键和单重双自由基性质。
文章介绍
本文提出了一种在烧瓶中直接室温/压力合成C2的方法，在这些条件下产生的C2只表现为具有四重键的单重双自由基。还发现在氩气氛下原位生成的C2的自发无溶剂反应导致了在室温下石墨、碳纳米管（CNTs）和富勒烯（C60）的形成。这说明在常温常压下可以自下而上化学合成纳米碳，还表明C2可能是形成各种碳同素异形体的关键中间体。
文章亮点
本文提出了一种在常温常压合成C2的方法。
证明了C2是形成各种纳米碳的关键中间体，并首次提供了实验依据。
图1：先前关于C2的实验工作以及本文在烧瓶中低温合成C2的实验
a. Chemical trapping of C2 generated by a carbon arc.
b. Isolation of C2 stabilized by potent electron-donating ligands.
c. Our chemical synthesis of C2 at ambient temperature under normal pressure by utilizing hypervalent alkynyl-λ3-iodane 1a.
图2：在低温下合成的C2的化学捕集
a. Reaction of 1a with Bu4NF in the presence of 9,10-dihydroanthracene (12).
b. Reaction of 1a with Bu4NF in the presence of galvinoxyl free radical 14.
c. Connected-flask experiment.
d. 13C-Labeling experiments using 1b-13Cβ.
图3：室温下在研钵中原位生成的C2的无溶剂反应导致碳同素异形体的自发形成
a. MALDI-TOF mass spectra of a Ground 1a and CsF.
b. Ground 1a and CsF in the presence of CuCl (1.0 equiv).
c. Ground 1b-13Cβ and CsF.
图4：碳同素异形体的拉曼光谱和HRTEM图像（及其功率谱）
a. Raman spectrum of graphite-containing sample.
b. HRTEM image and power spectrum of graphite-containing sample corresponding to the (002) lattice plane.
c. HRTEM image and power spectrum of graphite-containing sample corresponding to the (100) lattice plane.
d. HRTEM image of carbon nanotube-containing sample.
文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16025-x
老师简介:
Masanobu Uchiyama
日本东京大学大学院药学系研究科教授
研究领域：
1.反应化学·合成化学
2.元素化学
3.物理化学、光谱学、理论计算
4.物质科学、生命科学
版权声明:
1) 本文仅代表原作者观点，不代表本平台立场，请批判性阅读。
2) 本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。
3) 如作者对该文章有误解误读，请联系我们进行修改，欢迎各位老师进行批评指正。
4) 本文版权归科学材料站公众号所有，翻版必究。
投稿请联系contact@scimaterials.cn