Ein ausschließlich aus Kohlenstoffatomen aufgebautes Möbiusband

Strukturell einheitliche Nanokohlenstoffe zu erhalten, um Struktur und Funktion, idealerweise als einzelne Moleküle, richtig in Beziehung zu setzen, ist eine große Herausforderung auf dem Gebiet der Nanokohlenstoffwissenschaft. Daher ist der Aufbau strukturell einheitlicher Nanokohlenstoffe entscheidend für die Entwicklung funktioneller Materialien in Nanotechnologie, Elektronik, Optik und biomedizinischen Anwendungen. Ein wichtiges Werkzeug, um dieses Ziel zu erreichen, ist die Wissenschaft der molekularen Nanokohlenstoffe, die ein Bottom-up-Ansatz zur Herstellung von Nanokohlenstoffen mittels synthetischer organischer Chemie ist. Die bisher synthetisierten molekularen Nanokohlenstoffe haben jedoch einfache Strukturen, wie die eines Rings, einer Schale oder eines Gürtels. Um unerforschte und theoretisch vorhergesagte Nanokohlenstoffe zu realisieren, ist es notwendig, neue Methoden zur Synthese molekularer Nanokohlenstoffe mit komplexeren Strukturen zu entwickeln.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Kenichiro Itami (Professor, Universität Nagoya) und Yasutomo Segawa (außerordentlicher Professor, Institut für Molekularwissenschaften) und Yuh Hijikata (speziell ernannter außerordentlicher Professor, ICReDD) einen gürtelförmigen molekularen Nanokohlenstoff mit einer Verdrehung synthetisiert Möbius-Band-Topologie (d. h. ein Möbius-Kohlenstoff-Nanogürtel) und veröffentlichten ihre Ergebnisse in Natursynthese.

„Der Möbius-Kohlenstoff-Nanogürtel war ein Traummolekül in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, nachdem wir 2017 über die erste chemische Synthese eines Kohlenstoff-Nanogürtels – einer ultrakurzen Kohlenstoff-Nanoröhre – berichtet hatten. Genau wie bei Gürteln, die wir jeden Tag verwenden, stellten wir uns vor, was mit unserem passieren würde „molekularer Gürtel“, wenn man ihn mit einer Drehung festzieht. Es ist ein weiteres erstaunlich schönes Molekül“, sagt Kenichiro Itami, Leiter der Forschungsgruppe.

Ein solcher verdrillter Möbius-Kohlenstoff-Nanogürtel sollte im Vergleich zu denen mit einer normalen Gürteltopologie ganz andere Eigenschaften und molekulare Bewegungen aufweisen. Allerdings ist es leichter gesagt als getan, diesen Twist zu kreieren. „Wir wussten von unserer vorherigen Synthese von Kohlenstoff-Nanogürteln, dass die Dehnungsenergie die größte Hürde bei der Synthese ist. Darüber hinaus macht die zusätzliche Verdrillung innerhalb der Gürtelstruktur die Dehnungsenergie des endgültigen Zielmoleküls noch höher. Der Schlüssel zum Erfolg in der Die eigentliche Synthese war unser molekulares Design und die detaillierte Untersuchung der Reaktionsbedingungen“, sagt Yasutomo Segawa, ein Co-Leiter des Projekts.

Der rationale Syntheseweg wurde mithilfe der theoretischen Analyse der enormen Spannung bestimmt, die sowohl von der Gürtelform als auch von der verdrehten Molekülstruktur des Möbius-Kohlenstoff-Nanogürtels herrührt. Der Möbius-Kohlenstoff-Nanogürtel wurde in 14 chemischen Reaktionsschritten synthetisiert, darunter eine neu entwickelte Funktionalisierungsreaktion, eine Z-selektive Wittig-Reaktionssequenz und eine spannungsinduzierende Nickel-vermittelte Homokupplungsreaktion. Spektroskopische Analysen und Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass sich die Twist-Einheit des Möbius-Bandes schnell um das Möbius-Kohlenstoff-Nanogürtel-Molekül in Lösung bewegt. Die von der Möbius-Struktur ausgehende topologische Chiralität wurde experimentell unter Verwendung von chiraler Trennung und Circulardichroismus-Spektroskopie bestätigt.

Rückblickend haben neue Formen von Kohlenstoff und Nanokohlenstoffen immer wieder Türen zu neuen Wissenschaften und Technologien geöffnet und zur Entdeckung außergewöhnlicher (und oft unvorhersehbarer) Eigenschaften, Funktionen und Anwendungen geführt. Die vorliegende Arbeit ist eine Pionierleistung, die den Weg für die Entwicklung von Nanokohlenstoffmaterialien mit komplexen topologischen Strukturen und die Geburt innovativer Materialwissenschaften unter Verwendung der Möbius-Topologie ebnet.