谢素原教授课题组在纳米碳材料的弯曲形成机理研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Formation of curvature subunit of carbon in combustion”为题发表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.6b04898）。
在纳米碳材料（富勒烯、碳纳米管、巴基碗、巴基葱等）的结构当中，弯曲的存在非常普遍。六元碳环和五元碳环被认为是构成碳纳米材料最基本的结构单元，其中六元环构成平面，而五元环是形成弯曲的原因所在，比如巴基碗C20H10（corannulene）分子的弯曲是由于其五元环骨架被5个六元环完全包围所导致。关于碳材料的形成目前主要是用传统的C2加成机理来解释，但该机理无法解释利用五元碳环作为起始原料生成的弯曲，另外C2加成机理在反应的区域选择性方面的解释也不甚合理。由于缺乏实验证据，巴基碗、富勒烯、巴基葱等纳米碳材料的弯曲的形成机理一直是个难解之谜。
为了更好地理解纳米碳材料弯曲的形成机理，课题组长期致力于寻找一些弯曲分子形成过程中的中间体作为解释机理的实验证据。基于这样的想法，选择了五元碳环的环戊二烯（简称Cp）作为起始原料，采用低压氧气-乙炔火焰燃烧的方法，成功地原位捕捉或在线生成了一系列含有五元环结构的C5-C20中间体，形成了系列的实验证据链，提出了C1取代及C2加成相结合的机理，该机理为纳米碳材料（比如C20H10）弯曲的形成提出了新的见解。
其中，C5-C9系列中间体是被初生的富勒烯C60在燃烧过程原位捕获的，形成了C60(Cp)，C60(Cp)(CH3)，C60(Cp)(CH3)2，C60O(Cp)(CH3)2，C60(Cp)(CH3)3和C60(Cp)(CH3)4 等。该系列富勒烯衍生物的结构得到了X-射线晶体衍射分析和氢核磁谱的证实。从C5-C9这一系列中间体可以看出甲基对环戊二烯发生连续的取代反应，从机理上分析，这很有可能是活泼亚甲基卡宾对环戊二烯发生一个不断插入的反应过程。根据文献报道的动力学预测以及气相实验数据，C1物种在碳氢化合物的燃烧产物中是非常丰富的，但是C1物种通常难以捉摸以致很少有实验证据支持其在纳米碳材料生长过程当中发挥的重要作用。另外，根据燃烧在线生成的C12-C20这一系列中间产物的结构以及添加甲烷的燃烧对照实验的结果，我们推测纳米碳材料（比如C20H10）弯曲的形成机理很可能是从五元碳环出发，经过系列的C1取代和C2加成相结合的路线不断生长。
该研究工作由谢素原课题组多位老师和学生共同努力，历时四年多完成。张前炎副教授是共同通讯作者之一，理论计算部分是来维多利亚vic309官网交流的西班牙罗维拉威尔吉利大学学生Laura Abella完成的。该研究工作的第一作者伍欣宙和其他几位主要作者姚阳榕、陈淼淼、田寒蕊均为维多利亚vic309官网博士研究生。研究工作得到科技部（项目批准号：2014CB845601）、国家自然科学基金（项目批准号：U1205111、21390390、21301143、51572231）的支持。
文章链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b04898
