科学者たち、シクロ[18]カーボンの合成と可視化に成功

初めて、研究者たちが18個の炭素原子からなる環を安定化し直接撮像し、難解なシクロ[18]カーボン構造を確認しました。

炭素は宇宙で最も豊富な元素の一つで、ダイヤモンドの硬度（各炭素が四面体結合）からグラファイト、グラフェン、ナノチューブ、フラーレンの平面シート（各炭素が三配位）まで、根本的に異なる特性を示す多くの同素体で存在します。

これらの中で、シクロカーボン—各炭素がわずか二つの隣接原子とのみ結合した炭素原子環—は長らく理論上の存在に留まっていました。長年、環の結合がすべて同一（二重結合）か、短いと長いの交互（単結合-三重結合交互）かで議論されてきました。気相証拠は存在しましたが、これら分子の高反応性ゆえ隔離と詳細特性評価は不可能でした—直到今。

原子操作がシクロカーボン創出を可能に

原子間力顕微鏡（AFM）での分子撮像と原子操作による分子合成の先行成功を基盤に、オックスフォード大学とIBMリサーチチームがシクロカーボンの創出、安定化、特性評価に挑みました。

本日Science掲載、我々のアプローチは5Kの不活性表面上で原子操作によりシクロカーボンを生成し、高分解能AFMで探査するものでした。協働は3年前、この長年求められた構造解明という共通目標で開始されました。

当初、二重配位炭素の線形セグメントに焦点を当て、原子操作（AFMチップ電圧パルスで反応誘発）による炭素豊富材料生成ルートを探索。こうしたセグメントが、化学的に不活性なNaCl二層でコートされた銅基板上で形成可能なことを発見—表面への望ましくない共有結合を防止します（Nat. Chem. 10, 853-858, 2018）。

この成功を受け、オックスフォードグループがシクロ[18]カーボン前駆体C₂₄O₆を合成—18炭素原子に6つのCO基が構造安定化のため付いた三角形分子。C₂₄O₆からC₁₈への変換は30年前、François DiederichとYves Rubinが探求（J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 6870）。現代AFM技術で生成物を原子詳細で観察可能に。

AFMでNaCl二層上に調製されたC₂₄O₆前駆体を特定。AFMチップへ電圧パルス印加し、CO基を系統的に除去。2個と4個除去の中間体観察後、全6個除去でシクロ[18]カーボン形成。

冷たい不活性表面上で分子は詳細研究に十分安定。AFM像は円形に配列した9個の明るいローブを示し、プローブ接近で九角形の角—三重結合位置と整合—へ解像。シミュレーションでシクロ[18]カーボンが単結合と三重結合交互のポリイン構造採用確認、長年の議論に決着。

これら発見はエキサイティングな未来可能性を示唆。原子操作でシクロカーボンや環状炭素酸化物を融合させ、より大型カスタム炭素豊富分子—潜在的新同素体—創出可能、単一電子移動ベース分子エレクトロニクスへの道を開きます。

sp混成分子炭素同素体、シクロ[18]カーボン、 Katharina Kaiser, Fabian Schulz, Leo Gross (IBM Research – Zurich); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel, Harry L. Anderson (Oxford University), Science 2019年8月15日, doi/10.1126/science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904