在国家自然科学基金创新研究群体项目（批准号：21721001）等资助下，厦门大学谢素原团队首次在温和反应条件下合成了碳纳米锥分子[1,2]（C70H20）及其三甲基苯衍生物（图），研究成果以“Rational Synthesis of an Atomically Precise Carboncone under Mild Conditions”（温和条件精准合成碳纳米锥）为题，于2019年8月23日在线发表在ScienceAdvances（《科学进展》）上。论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw0982。
作为sp2杂化的全碳同素异形体，具有原子分辨的碳锥于1992年由Iijima等人在碳纳米管的帽端首次作为结构缺陷被观察到。随后，通过电子显微镜观测到一系列碳锥帽上含有1-5个五元碳环的碳锥结构。与零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯不同，碳锥分子具有独特的锥形和中空结构，作为扫描探针尖端、电子场发射源和气体存储材料等有着特殊的应用价值。分子中五元碳环的数目直接影响碳分子的拓扑结构：石墨烯完全由六元碳环构成，碳锥一般含有1-5个五元碳环，封端碳纳米管含有6个五元碳环，开口富勒烯含有7-11个五元碳环，而闭合笼状富勒烯则含有12个五元碳环。在前期研究工作中，谢素原研究团队合成了系列新型富勒烯，例如含相邻五元碳环的小富勒烯C60、低对称性的C60异构体、含三顺联五元碳环的C54/C56、含相邻五元碳环和七元碳环的C66/C68/C70等。
在过去的20年中，由于反应条件苛刻、产率较低且产物中伴随着难以除去的杂质影响，精准合成碳锥分子及其物理化学性质的研究成为一个重大的挑战。谢素原研究团队通过“自下而上”的有机合成策略，以碗烯作为基元，通过三步反应构建了刚性碳锥分子。最后一步Scholl反应由碗状前体一步直接转化成刚性碳锥分子，克服了大部分的应变张力。通过单晶结构解析，证实该碳锥分子含有C5对称轴，锥尖上仅有1个五元碳环，锥壁共稠合25个六元碳环，形成2圈完整的稠圈层。理论计算结果证实了该碳锥分子结构非常稳定，其翻转能垒甚至超过最强的sp2杂化的C-C键的解离能。
这一研究结果为精准合成结构可控的碳锥分子[n,m]提供了重要参考，对此类纳米碳材料的进一步研究具有重要意义。
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| 图. A) 五种碳锥[n,m] (五元碳环数n = 1到5,稠圈层数m = 3或4)的图解；B) 碳锥分子[1,2]的单晶结构 |
