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小烯导读
日本名古屋大学的一个课题组最近首次成功合成了国际学界60年前理论上提出的筒状碳分子“碳纳米带”。碳纳米带比同样为筒状结构的碳纳米管(CNT)短，用于模版可获得期望结构的碳纳米管，将促进碳纳米管的迅速普及。该成果发表在4月14日《Science》杂志的电子版上。
碳纳米材料家族我们已经很熟悉了，它的成员有富勒烯、碳纳米管、石墨烯等等明星材料，但是还有一位不太知名的成员，碳纳米带。国内外的化学家在60年前就开始尝试合成碳纳米带，但是至今一直没有成功。
近日消息，日本名古屋大学的一个研究小组在顶级期刊《Science》上报告了碳纳米带的首次有机合成。人们预期碳纳米带将成为构建碳纳米管的有用模板，开辟新的纳米碳科学领域。
该课题组的研究人员合作制备出了直径为0.83纳米的碳纳米带。自从二十世纪五十年代以来，世界各地的科学家一直在努力合成碳纳米带，而且Kenichiro教授的团队从事碳纳米带合成研究了已经12年了。
该研究的领导者之一，已经从事合成研究7年半的Segawa说，“没有人知道碳纳米带的有机合成是否可行”，“但是，我对这个美丽的分子的合成一直充满希望。”
碳纳米带
碳纳米带是由苯环（由6个碳原子的六元环）构成的带状分子。 碳纳米带可以看做是碳纳米管的一段，由于其独特的物理特性在电子学和光子学领域具有各种应用。
碳纳米带具有不同的直径和侧壁结构
当前的合成方法，制备出的碳纳米带直径不一致并且具有侧壁结构，这导致它们的电学和光学性质发生改变。这使得分离和纯化具有特定直径、长度和侧壁结构的单个碳纳米带非常困难。因此，能够精确控制结构均匀的碳纳米带的合成将有助于开发新型和高功能材料。
碳纳米带已经被定义为一种为构建结构均匀的碳纳米管的基本形式。然而，由于其非常高的应变能，合成碳纳米带是非常具有挑战性的。这是因为苯环在平坦时是稳定的，但是当它们被扭曲时变得极不稳定。
从11个步骤的对二甲苯中合成碳纳米带的方法
为了克服这个问题，该团队的研究人员成功地使用来自石油的廉价对二甲苯为碳素原料，通过11个步骤，最终合成了碳纳米带。成功的关键在基于具有相对低的环形应变的大环前体的合成策略。运用这个策略，该团队通过10个步骤从对二甲苯制备了大环前体，并通过偶联反应形成了带状芳族化合物（图3）。镍对于调节耦合过程至关重要。
Povie说：“这个研究中最困难的部分是大环前体的关键耦合反应。“这个反应日复一日，我花了三到四个月的时间来测试各种条件，我一直相信有志者，事竟成。
使用碳纳米带作为模板的碳纳米管生长的一般策略
2015年，该研究团队的Itami教授在其ERATO项目中发起了一项新倡议，特别关注碳纳米带的合成。他们提出了碳纳米带的各种新的合成路线，10多名研究人员参与了该项目。 2016年9月28日，碳纳米带的结构终于在研究人员面前被X光晶体学所揭示。在做X射线分析时，每个人都紧张的盯着屏幕，屏住呼吸，当碳纳米带的圆柱形状图像终于出现在屏幕上时，研究人员一起击掌欢呼。
“这是我一生中最激动人心的时刻之一，我永远不会忘记它，”Itami说。“由于这是一项长达数十年的研究结果，我非常感谢所有过去和现在的团队成员的支持和鼓励，由于所有成员的技能、韧性和坚强的意志，我们才取得了今天的成功。”
碳纳米带的结构
该团队合成的碳纳米带是一种红色固体，发出深红色荧光。通过X射线衍射分析显示，碳纳米带具有与碳纳米管相同的圆柱形形状（图4）。研究人员还通过紫外-可见吸收荧光和拉曼光谱测量了碳纳米带对光的吸收和发射、电导率和结构刚度。
碳纳米管将在未来推向市场。 Segawa和Itami说：“我们期待与世界各地的研究人员一起发现碳纳米带的新特性和功能。
论文题目：
Synthesis of a carbon nanobelt
Science (2017). DOI: 10.1126/science.aam8158
作者：
Guillaume Povie, Yasutomo Segawa, Taishi Nishihara, Yuhei Miyauchi, Kenichiro Itami
摘要：
The synthesis of a carbon nanobelt, comprising a closed loop of fully fused edge-sharing benzene rings, has been an elusive goal in organic chemistry for more than 60 years. Here we report the synthesis of one such compound through iterative Wittig reactions followed by a nickel-mediated aryl-aryl coupling reaction. The cylindrical shape of its belt structure was confirmed by x-ray crystallography, and its fundamental optoelectronic properties were elucidated by ultraviolet-visible absorption, fluorescence, and Raman spectroscopic studies, as well as theoretical calculations. This molecule could potentially serve as a seed for the preparation of structurally well-defined carbon nanotubes.
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