매듭(노트)과 얽힘(카테난)을 가진 분자 나노카본의 합성을 나고야 대학의 이타미 켄이치로 교수들이 이끄는 연구 그룹이 세계 최초로 성공시켰다.
그래핀이나 탄소나노튜브 등 나노미터 사이즈의 주기성을 가지는 탄소물질 "나노카본"은 경량이고 고기능인 차세대 재료로서 기대되고 있다.
그러나, 나노카본의 부분 구조가 되는 분자(분자 나노카본)는, 지금까지 비교적 단순한 구조의 것 밖에 합성이 성공하고 있지 않고, 매듭, 얽힘 등의 복잡한 기하학 구조(토폴로지)를 가진 "토폴로디칼 분자 나노카본"의 합성에는 이르지 않았다.
본 연구에서는 규소 원자를 이용한 새로운 방법에 의해, 탄소의 매듭 「올벤젠 노트」, 탄소의 얽힌 「올벤젠 카테난」의 세계 최초의 합성에 성공했다.종래법에서는, 질소 원자나 산소 원자 등을 발판으로서 토폴로지컬한 구조를 유도하고 있었지만, 본 연구의 합성 전략에서는 나중에 불소 처리에 의해 제거할 수 있는 규소 원자를 「가류」에 이용했다.이것에 의해, 최종적으로 탄소 골격만으로 이루어지는 토폴로디칼 분자 나노카본이 얻어졌다.
연구 그룹은 계속해서 합성에 성공한 올 벤젠 매듭과 올 벤젠 카테난의 구조를 X 선 결정 구조 해석으로 확인한 다음, 매듭이나 얽힘에서 유래하는 특이한 광물성이나 동적 거동을 갖는 것도 분명 했다.이러한 성질은 합성·단리할 수 없으면 발견이 매우 어려운 것이라고 한다.
본 성과는 이론 화학적으로 예측되고 있는 복잡한 토폴로지를 가지는 미답의 나노카본의 설계·합성에 길을 거는 획기적인 성과라고 할 수 있다.
논문 정보:【Science】 Topological molecular nanocarbons: all-benzene catenane and trefoil knot
