論文『メビウスカーボンナノベルトの合成』がNatureSynthesisに掲載されました

Synthesis of a Möbius carbon nanobelt

Yasutomo Segawa,* Tsugunori Watanabe, Kotono Yamanoue, Motonobu Kuwayama, Kosuke Watanabe, Jenny Pirillo, Yuh Hijikata, Kenichiro Itami*

Nature Synth. 2022, DOI: 10.1038/s44160-022-00075-8

ChemRxiv 2021, DOI: 10.26434/chemrxiv-2021-w09lc

ナノメートルサイズの繰り返し構造をもつ炭素物質「ナノカーボン」を、原子レベルで精密に合成する方法が材料科学において求められています。その一歩として、有機合成化学の手法を用いてナノカーボンの部分構造分子を合成する「分子ナノカーボン科学」が近年盛んに研究されています。しかし、これまでに合成された分子ナノカーボンは、リング状やベルト状といった幾何学的に単純な構造でした。理論化学的に予測されている複雑な幾何学構造をもつ未踏のナノカーボンを合成するには、より複雑で幾何学的な特徴をもった分子ナノカーボンを合成する新しい手法の開発が必要です。

本研究では、メビウスの輪の形状をもつ分子ナノカーボン「メビウスカーボンナノベルト」を合成することに成功しました。ベルト状の分子ナノカーボン「カーボンナノベルト」に、更にひねりが加わった構造に由来する大きなひずみを定量的に解析し、合理的な戦略に基づいて有機合成化学的に合成を行いました。合成したメビウスカーボンナノベルトを分析することにより、メビウスの輪がもつトポロジーに由来する特異な動的挙動や光学特性をもつことが明らかになりました。

New technologies for the creation of topological carbon nanostructures have significantly advanced synthetic organic chemistry and materials science. While simple molecular nanocarbons with a belt topology have been constructed recently, analogous carbon nanobelts with a twist, i.e., Möbius carbon nanobelts (MCNBs), have not yet been synthesized due to their high intrinsic strain. Herein, we report the synthesis, isolation, and characterization of a MCNB. Calculations of strain energies suggested that large MCNBs are synthetically accessible. Designing a macrocyclic precursor with an odd number of repeat units led to a successful rational synthetic route via Z-selective Wittig reactions and nickel-mediated intramolecular homocoupling reactions, which yielded (25,25)MCNB over 14 steps. NMR and theoretical calculations revealed that the twist moiety of the Möbius band moves quickly around the MCNB molecule in solution. The topological chirality originating from the Möbius structure was confirmed experimentally using chiral HPLC separation and CD spectroscopy.

追記：名古屋大学ITbM高橋一誠さんデザインの絵がカバーピクチャーに選ばれました！