シクロカーボン
完全に炭素原子からなる環状分子

有機化学において、シクロ[ n ]カーボン（または単にシクロカーボン）は、n個の炭素原子が環を形成して共有結合した化合物である。これらの化合物は炭素原子のみで構成されているため、炭素の同素体である。結合様式としては、全て二重結合（環状クムレン）または単結合と三重結合が交互に現れる（環状ポリイン）などがある。[1] [2] [3]

最初に合成されたシクロカーボンはシクロ[18]カーボン（C 18）である。[4]そのほか、C 6、C 10、C 12、C 13、C 14、C 16、C 20、C 26が知られている。[5] [6] [7]

シクロ[3]カーボン

このファミリーの（仮想的な）3炭素メンバー（C 3）は、シクロプロパトリエンとも呼ばれます。

シクロ[6]カーボン

このファミリーの6炭素メンバー（C 6）はベンゾトリインとも呼ばれます。

シクロ[18]カーボン

比較的安定していると予測される最小のシクロ[ n ]カーボンはC18で、計算上のひずみエネルギーは1モルあたり72キロカロリーである。[1] [3] IBM/オックスフォード大学のチームは、2019年にその分子を固体状態で合成したと主張した。[4]

シクロカーボンの合成
シクロカーボンの合成

IBMの研究者によると、合成されたシクロカーボンは、二重結合のみではなく、三重結合と単結合が交互に並んでいる。そのため、この分子は半導体になると考えられている。[8]

大型シクロカーボン

100個までの炭素原子からなるより大きなシクロ[n]カーボンは、線状炭素鎖のようなポリラジカル特性を示すと予測される。[9]調査したすべてのケースにおいて、n原子の線状および環状炭素鎖（それぞれl -CC[ n ]およびc -CC[ n ]）は基底状態シングレットであり、閉環としてエネルギー的により安定している。l-CC[n]およびc-CC[n]の電子的性質は、 nの値が小さい場合に特異な振動パターンを示し、値が大きい場合には単調な変化を示す。より小さな炭素鎖では、奇数番目のl -CC[ n ]は隣接する偶数番目のものより安定しており、c -CC[ 4m +2]/ c -CC[ 4m ]（mは正の整数）は隣接する奇数番目のものよりそれぞれより/より安定していない。nが増加すると、l -CC[ n ]とc -CC[ n ]の基底状態ではポリラジカル性が増し、活性軌道はl -CC[ n ]の全長またはc -CC[ n ]の全周にわたって非局在化する。[9]

TAO-LDAの結果に基づくと、より小さなc -CC[n]（ n = 22まで ）は非ラジカル性を有し、大きな一重項-三重項エネルギーギャップ（例えば、20 kcal/mol以上）を有する。SeenithuraiとChaiは、既知のc -CC[18]に加えて、 c -CC[10]、c -CC[14]、およびc -CC[22]が近い将来に合成される可能性が高いと予測した[9] 。

c -CC[48]は室温では溶液中では安定しないが、ロタキサンとしてかさ高い環に通すことで安定化することができる。[10]

参考文献

  1. ^ George A. Adamson; Charles W. Rees (1996). 「シクロ[ n ]カーボンの全合成とシクロ[6]カーボンの生成に向けて」J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 (13): 1535– 1543. doi :10.1039/P19960001535.
  2. ^ Yves Rubin; Carolyn B. Knobler; Francois Diederich (1990). 「シクロ[n]カーボンの前駆体：3,4-ジアルキニル-3-シクロブテン-1,2-ジオンおよび3,4-ジアルキニル-3-シクロブテン-1,2-ジオールからシクロブテノデヒドロアヌレンおよび高次炭素酸化物へ」J. Am. Chem. Soc . 112 (4): 1607– 1617. doi :10.1021/ja00160a047.
  3. ^ ab François Diederich; Yves Rubin; Carolyn B. Knobler; Robert L. Whetten; Kenneth E. Schriver; Kendall N. Houk; Yi Li (1989年9月8日). 「全炭素分子：安定な有機前駆体からのシクロ[18]カーボン生成の証拠」. Science . 245 (4922): 1088– 1090. Bibcode :1989Sci...245.1088D. doi :10.1126/science.245.4922.1088. PMID  17838807. S2CID  23726682.
  4. ^ ab Kaiser, Katharina (2019年8月15日). 「sp混成分子炭素同素体、シクロ[18]カーボン」. Science . 365 (6459): 1299– 1301. arXiv : 1908.05904 . Bibcode :2019Sci...365.1299K. doi :10.1126/science.aay1914. PMID  31416933. S2CID  201019470.
  5. ^ Xu, Wei; Sun, Luye; Zheng, Wei; Gao, Wenze; Kang, Faming (2023-10-05),反芳香族シクロ[12]カーボンおよび芳香族シクロ[6]カーボンの表面合成, doi : 10.21203/rs.3.rs-3411973/v1
  6. ^ Xu, Wei; Sun, Luye; Zheng, Wei; Kang, Faming (2023-10-05),反芳香族シクロ[20]カーボンの表面合成と特性評価, doi : 10.21203/rs.3.rs-3411934/v1
  7. ^ フロリアン、アルブレヒト;ロンチェヴィッチ、イゴール。ガオ、ユエゼ。パシュケ、ファビアン。バイアルディ、アルベルト。タヴェルネッリ、イヴァーノ。ミシュラ、シャンタヌ。アンダーソン、ハリー L.グロス、レオ (2024-05-10)。 「奇数のシクロ[13]カーボンとその二量体であるシクロ[26]カーボン」。科学。384 (6696): 677–682。土井:10.1126/science.ado1399。ISSN  0036-8075。
  8. ^ Castelvecchi, Davide (2019年8月15日). 「化学者、初の純粋炭素環を作製」. Nature . 572 (7770): 426. Bibcode :2019Natur.572..426C. doi : 10.1038/d41586-019-02473-z . PMID:  31431741.
  9. ^ abc Seenithurai, Sonai; Chai, Jeng-Da (2020年8月4日). 「TAO-DFTによる直鎖および環状炭素鎖の電子特性の調査」. Scientific Reports . 10 (1): 13133. Bibcode :2020NatSR..1013133S. doi : 10.1038/s41598-020-70023-z . PMC 7403413. PMID 32753715  . 
  10. ^ Gao Yueze; Gupta, Prakhar; Rončević, Igor; Mycroft, Coral; Gates, Paul J.; Parker, Anthony W.; Anderson, Harry L. (2025年8月14日). 「カテナン形成によるシクロカーボンの溶液相安定化」. Science . 389 (6761): 708– 710. doi :10.1126/science.ady6054.
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