關于碳的存在形態(tài)，除了大家熟知的石墨和金剛石外，還有球型的富勒烯、管型的碳納米管和平面型的石墨烯.此外，還有一種錐型的碳結構，雖有望作為掃描隧道顯微鏡的探針和場發(fā)射頭等的替代材料，但人們始終未能找到合適的方法對其進行精準合成.

最近，廈門大學化學化工學院功能團簇材料創(chuàng)新研究群體的謝素原、張前炎課題組首次通過有機化學途徑在溫和的反應條件下合成得到碳家族的這一新成員[1].他們以碗烯分子為起始原料，只經(jīng)過三步經(jīng)典的有機反應就實現(xiàn)了碳錐分子C70H20及其均三甲苯衍生物的精準合成.值得一提的是，在將碗狀分子前體轉化成錐狀分子的關環(huán)反應過程中，需要克服相當大的張力，原本類似的關環(huán)反應都需劇烈的反應條件，然而，在他們報道的反應中每關兩個六元環(huán)都能得到一次芳構化的能量降低，使最為關鍵的關環(huán)反應可以在零度或室溫這樣溫和的條件下完成.通過理論計算發(fā)現(xiàn)，關鍵的關環(huán)反應克服的張力的能量達到43.5 kJ/mol.從結構上分析，碳錐的錐角隨錐頂所含有的五元環(huán)數(shù)量(1～5個)的不同而改變，可以產(chǎn)生5種特征錐角(分別是19°，39°，60°，84°和113°).在他們合成的碳錐結構中，僅有1個五元環(huán)在錐頂，而在錐頂和錐緣之間(圍繞著中心五元環(huán))有2圈由六元環(huán)組成的完整稠圈層，謝素原等將這一碳錐命名為carboncone[1,2].通過這一典型的碳錐[1,2]，有望借助氣相沉積等技術不斷增加稠圈層數(shù)(m)來制備具有確定錐角的系列納米碳錐[1,m>2](圖1).

圖1 X射線單晶衍射表征的碳錐[1,2]核心結構(a),5種可能的碳錐[n,m](n=1～5，m=3～4)及其錐角示意圖(b),以碳錐[1，2]為種子，通過增加稠圈層數(shù)(m)從碳錐[1,2]來制備單壁碳錐[1,7]的示意圖(c)[1]

巧合的是，同月德國的Frank Würthner等在JournaloftheAmericanChemicalSociety在線發(fā)表了另一個碳錐衍生物的合成[2]，其核心結構也是碳錐[1,2].美國Chemical&EngineeringNews(https:∥cen.acs.org/materials/nanomaterials/Nanocones-extend-graphene-toolbox/97/web/2019/09)在第一時間以“Nanocones extend the graphene toolbox”為題評價了這一碳錐合成的工作，認為“這不僅充實了具有非凡光、電性質的全碳納米結構，還帶來了碳錐自身富有潛力的特性.”相信隨著研究的深入，不久的將來人們有望合成出其他4種不同錐角的碳錐[n=2～5,m]，完整地探索和開發(fā)利用這類錐型結構的碳團簇材料.