精准合成碳纳米锥团簇分子

Carbon nanocone molecule, which is between atom and macro material, represents the initial ecology of carbon nanocone materials and is an ideal model to correlate the micro-structure and macro-properties of carbon nanocone. The precise organic synthesis of carbon nanocone molecules with definite structure is challenging due to the existence of different number of five-membered rings at the top of the cone.. This application plans to accurately macro-synthesize all four carbon nanocone cluster molecules with different cone angles (containing 2-5 five-membered rings) by rational chemical synthetic approaches, and to explore the variation of molecular structure and properties of a series of carbon nanocone clusters with different cone angles. On the other hand, the applicant proposed the research strategy of using carbon nanocone molecules owing definite structure as seeds or templates to grow carbon nanocone materials with uniform cone angles, which is of great scientific significance to promote the application of carbon nanocone materials in scanning tunneling microscopy (STM) probes, field emitters and gas storage. The applicant has a certain research foundation in the precise synthesis of carbon nanocone C70H20 with only one five-membered ring and carbon nanotube end cap molecule C50H10, and the proposed precise synthesis of four carbon nanocones is feasible. The precise macro-synthesis of carbon nanocones conforms to the precise construction direction of multi-level cluster structure in the application guide of this major research project: precise synthesis and macro-preparation of new clusters.

碳纳米锥分子，介于原子和宏观物质之间，代表了碳纳米锥材料的初生态，是关联碳纳米锥微观结构与宏观性质的理想模型。由于锥顶存在不同数量的五元环，其精准有机合成颇具挑战。本申请书拟通过合理的化学合成手段精准宏量合成所有4个不同锥角（含有2-5个五元环）的碳纳米锥团簇分子，探索系列不同锥角的碳纳米锥团簇分子结构与性能之间的变化规律。另一方面，申请人提出以具有确定结构的碳纳米锥分子作为种子或模板生长锥角统一的碳纳米锥材料的研究策略，对于推动碳纳米锥材料在扫描隧道显微镜探针、场发射头、气体储存等方面实现应用具有重要的科学意义。申请人在精准合成具有一个五元环的碳纳米锥分子C70H20、碳纳米管端帽分子C50H10等方面具有一定的研究基础，提出的四个碳纳米锥分子的精准合成具有可行性。碳纳米锥分子的精准宏量合成符合本次重大研究计划申请指南中团簇多级结构的精准构筑方向：新型团簇的精准合成和宏量制备。

碳锥是一类三维的、中空的锥状碳团簇，由于存在大的结构应变张力，合成具有明确结构的碳锥团簇分子颇具挑战。本项目主要对不同锥角、不同锥高的碳团簇分子进行了合成方面的探究。通过设计的合成路线，分别合成得到锥顶含有两个五元环和五个五元环的碳锥分子，并通过质谱进行了表征。然而，目前得到的碳锥分子没有达到宏观量的规模，这一方面是由于目前的路线合成得到碳锥前体分子的产率很低，另一方面，得到的碳锥分子在有机溶剂中的溶解性很差，不容易对其进行分离提纯。针对锥顶含有5个五元环的碳锥，其溶解性可能是所有不同锥角的碳锥中最理想的，接下来，应该以5个五元环的碳锥为重点，探索更合理的合成路线，有望实现其宏观量合成和后续的碳锥材料延长生长。除此之外，该项目对螺旋状的螺烯碳团簇分子和球状的金属内嵌富勒烯进行了研究，实现了以氮杂碗烯和芘为新核五重和四重螺烯分子的合成和性质研究。新型螺烯分子表现出强的近红外荧光、良好的细胞穿透性和生物相容性，有望作为近红外细胞成像的分子探针。