多環芳香烴

多環芳香烴 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)
國立臺灣師範大學化學系博士班三年級梁家榮

多環芳香烴 (polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs) 是由許多碳、氫原子所組成的有機化合物。結構則是由各式具有芳香性 (aromaticity) 的碳氫芳香化合物，例如：苯、萘，以不同位置的排列組合，形成結構和性質不同的多環芳香烴化合物，這類碳氫化合物可以從石化燃料以及焦油中提煉出。其他常見的多環芳香烴，例如：蒽、菲、更大環的蔻與非平面的碗烯 (corannulene) 以及足球形的巴克球 (buckyballs)… 等等，在表一中有列出常見的多環芳香烴的結構和其名稱。

表一 常見多環芳香烴化合物（表格來源：本文作者梁家榮製）

關於多環芳香烴的性質，和苯一樣許多的多環芳香烴都有致癌性。也由於多環芳香烴是由很穩定的芳香環所組合而成，所以結構非常穩定不易被破壞。在奈米級中的多環芳香烴，具有特殊的導電性和分子自組裝 (molecular self-assembly) 能力，因此可以很廣泛應用在有機光電材料的研究中，也可以做成透明電極、電容器、生物感測器 (biosensor) 以及化學反應中催化劑的載體。其中又以多環芳香烴的光電性質最受到矚目。許多平面形狀的多環芳香烴分子可以被視為石墨烯 (graphene) 的片段，常常應用於合成各式各樣的奈米碳管 (carbon nanotube)。然而非平面的多環芳香烴分子，則適合用來當做合成巴克球類的主體。

諾貝爾化學獎曾經在1950年頒獎給研究狄耳士 – 阿德爾反應 (Diels-Alder reaction) 以及2010年利用催化量的鈀金屬進行分子間的交叉偶合反應 (cross-coupling reaction) 的化學家們，再加上分子自組裝的反應研究發展快速，因此多環芳香烴也陸續被合成設計出相當大的單體結構。從文獻中得知目前被合成出最大的多環芳香烴單體是簡稱為C222 的化合物（圖一），直徑約為3奈米。分子中共含有222個碳原子、37個苯環的片段。它的合成路徑從帶有溴原子的二苯基乙炔 (1) 開始，可以利用鈀 (II) 催化劑進行薗頭交叉偶合反應（Sonogashira cross-coupling reaction）、狄耳士 – 阿德爾 [4+2] 的反應，最後在高溫下加熱進行脫氫（氧化）的成環反應，多步合成出多環芳香烴 (2)。

這樣的結構可以使得π鍵在平面上相互共軛，形成一個巨大的共軛體系，讓電子或電洞可以在這個共軛系統上非常快速的移動。雖然與金屬、半導體的電子運動方式不同，但是也可以視之為一種良導體。像這樣從帶有芳香環的有機小分子開始，利用由下而上的有機合成方式，一步一步合成出來的多環芳香烴，有著容易預測、並且設計出各種不同結構形狀的優點，也可以精確的控制分子量大小，官能基修飾也較為容易。但是化學合成的步驟相較於其他物理的剝離石墨烯方式複雜，產率也會隨著合成的路徑較長而下降許多，比較不容易量產，則是發展受限制的原因。

圖一 利用化學合成方式製備多環芳香烴（圖片來源：本文作者梁家榮繪）

參考文獻

1. Wu, J. S.; Pisula, W.; Müllen, K. Graphenes as Potential Material for Electronics. Chemistry Review. 2007, 107, 718-747.
2. 多環芳香烴碳氫化合物 — 國家環境毒物中心。http://nehrc.nhri.org.tw/toxic/toxfaq_detail.php?id=75
3. 3. Simpson, C. D.; Brand, J. D.; Berresheim, A. J.; Przybilla, L.; Räder, H. J.; Müllen, K. Synthesis of a Giant 222 Carbon Graphite Sheet. Chemistry – A European Journal. 2002, 8, 1424-1429.