作為單壁碳納米管的部分側壁結構，碳氫納米環帶特別是其中的鋸齒型碳納米帶及其氫化產物的成功構筑可為碳納米管的精準合成提供一種自下而上的新策略。自1954年鋸齒型碳納米帶的設想結構被提出以來，它的合成研究一直吸引著眾多的化學家，直到最近才實現了突破。在碳納米環帶結構中引入雜原子（N，O等）不僅可以克服環帶分子合成過程所中面臨的高張力問題，同時也賦予了納米環帶新的物理和化學性質，為環帶分子合成提供了一種新的思路。在前期研究的基礎上，我校化學學院朱克龍教授研究團隊合成了一系列具有噻蒽（thianthrene）構筑單元的硫雜碳氫納米環帶——[n]環噻蒽（[n]cyclothianthrene），簡稱[n]CT。

圖1.鋸齒型碳納米帶與新型硫雜納米環帶的分子結構

為了實現硫雜碳氫納米環帶的精準構筑，研究者采用了“模塊化”合成策略，通過先合成無張力的單橋連大環前驅體再并環成帶的方法，成功獲得了系列環噻蒽納米環帶。例如通過連接反式構型的構筑模塊A和順式構筑模塊B，可以一步合成“2+2”和“3+3”的兩種單橋連的大環前驅體，通過分子內親電取代反應進行并環，分別獲得了目前已知最小結構的[6]環噻蒽和首例具有莫比烏斯帶（M?bius strip）結構的[9]環噻蒽。

圖2.[6]環噻蒽和[9]環噻蒽分子帶的合成

在此基礎上，研究者進一步結合控制合成的策略，不僅實現了具有更大空腔的[8]環噻蒽的構筑，同時獲得了首例重復構筑單元數為奇數的[7]環噻蒽。X射線單晶衍射結構分析表明[6]環噻蒽和[8]環噻蒽的棱柱型空腔通過分子間緊密堆積形成有序的一維孔道結構，具有用于主客體化學研究的應用潛力。通過手性拆分、圓二色譜分析結合DFT理論計算，進一步確證了[7]環噻蒽和[9]環噻蒽的分子結構。紫外光譜分析表明隨著環帶結構的擴增呈現紅移趨勢，循環伏安測試證實該系列硫雜碳氫納米環帶具有電化學活性。

圖3.[6]環噻蒽和[9]環噻蒽分子帶的結構及其光學與電化學性質

硫雜碳氫納米環帶——[n]環噻蒽的成功制備豐富了碳氫納米環帶的研究，為設計和構筑新型碳氫納米環帶及其功能化提供了新的方向。

該研究成果以“Sulphur-Embedded Hydrocarbon Belts: Synthesis, Structure and Redox Chemistry of Cyclothianthrenes” 為題發表于《德國應用化學》，論文的第一作者是我校博士研究生王勝華，通訊作者為我校化學學院朱克龍教授。該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃等的大力支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202104054