Matériaux carbonés à périodicité nanométrique tels que le graphène et les nanotubes de carbone, appelés « nanocarbures, " sont censés devenir lumière, matériaux de nouvelle génération hautement fonctionnels. Il y a eu des demandes pour des méthodes de synthèse précises ciblant uniquement la structure du nanocarbone avec la propriété souhaitée car leurs propriétés électroniques et mécaniques sont très différentes selon la structure. Dans de telles circonstances, « science moléculaire des nanocarbones, " dans laquelle la synthèse organique est utilisée pour synthétiser précisément des molécules avec des structures partielles de nanocarbones, a récemment retenu l'attention et donc de nombreux projets de recherche sont en cours dans le monde entier.

Jusqu'à maintenant, beaucoup de molécules ayant des structures partielles de fullerènes, du graphène et des nanotubes de carbone (nanocarbones moléculaires) ont été synthétisés. Ils ont, cependant, structures relativement plus simples du point de vue de la topologie. D'autre part, un grand nombre de nanocarbones à topologie complexe tels que ceux en forme de beignet (tore) ou en forme de bobine ont été prédits du point de vue de la chimie théorique, et donc les chercheurs se sont intéressés aux propriétés inconnues de ces nanocarbones. Comme première étape de la synthèse précise de tels nanocarbones, une équipe dirigée par Yasutomo Segawa, un chef de groupe du projet JST-ERATO, et Kenichiro Itami, le directeur du projet JST-ERATO et le directeur du centre de l'ITbM a proposé « des nanocarbones moléculaires topologiques, " qui sont des nanocarbones moléculaires à topologie complexe.

Dans cette recherche, ils ont réussi à synthétiser des nanocarbones moléculaires avec des nœuds et des caténanes, qui sont des types de base de topologie. Des molécules appelées caténanes et nœuds sont synthétisées depuis les années 1960 et 1980, respectivement. Dans les années récentes, on s'attend à ce que de telles molécules soient appliquées à des machines moléculaires (machines à l'échelle nanométrique) et sont bien connues comme la raison de l'attribution du prix Nobel de chimie en 2016. Cependant, générer des structures de nœuds ou de caténanes, il était nécessaire d'introduire des atomes d'azote ou d'oxygène et d'induire la structure à une structure topologique en utilisant de tels atomes comme tremplin. Par conséquent, une nouvelle méthode de synthèse a dû être développée pour synthétiser des nanocarbones moléculaires avec des nœuds ou des caténanes.

Un nanocarbone moléculaire "cycloparaphénylène, " une structure partielle d'un nanotube de carbone, est une molécule en forme d'anneau d'un diamètre d'environ 1 nanomètre qui est composée uniquement de benzènes. Ils pensaient pouvoir introduire des nœuds ou des caténanes en utilisant des atomes de silicium comme attaches provisoires au milieu de la synthèse des cycloparaphénylènes. Comme ces atomes de silicium peuvent être retirés plus tard, des nœuds ou des caténanes composés uniquement de squelettes carbonés peuvent être obtenus au final.

D'abord, préparer des molécules en forme de C et connecter le centre de deux molécules en forme de C avec un atome de silicium. Seconde, connecter les extrémités de chacune de ces molécules en forme de C par une réaction avec le nickel est utilisé pour générer deux anneaux. Troisième, utiliser du fluor (fluorure de tétrabutylammonium) pour éliminer l'atome de silicium. Finalement, une réaction avec le sodium est utilisée pour transformer en une molécule un « caténane tout benzène » dans lequel deux cycloparaphénylènes sont liés géométriquement. Avec cette méthode de synthèse, ils ont réussi à synthétiser des caténanes à partir d'une paire d'anneaux composée de 12 benzènes. En utilisant une méthode similaire, ils ont synthétisé 2 milligrammes de caténanes dans lesquels sont liés deux anneaux de tailles différentes, l'un composé de 12 benzènes et l'autre de 9 benzènes.