Нагоя, Япония — Группа химиков из проекта JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon и Института трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагоя и их коллеги разработали простой и мощный метод синтеза нанографенов. Ожидается, что этот новый подход, недавно описанный в журнале Science, приведет к значительному прогрессу в органическом синтезе, материаловедении и каталитической химии.
Нанографены, одномерные полосы графена шириной в нанометр, представляют собой молекулы, состоящие из бензольных звеньев. Нанографены вызывают интерес как мощный кандидат в материалы следующего поколения, включая оптоэлектронные материалы, благодаря своим уникальным электрическим характеристикам. Эти свойства нанографенов зависят в основном от их ширины, длины и краевой структуры. Таким образом, очень желательны эффективные методы доступа к нанографенам с контролируемой структурой.
Идеальным синтезом нанографенов была бы сборка бензольных звеньев, подобная LEGO, для определения точного числа и формы молекулы. Однако в настоящее время такой прямой подход невозможен. Команда разработала альтернативный метод, который является простым и позволяет контролировать структуру нанографена по мере ее формирования в три основных этапа.Во-первых, простые производные бензола собираются линейно посредством реакции кросс-сочетания.
Затем эти бензольные цепи соединяются друг с другом палладиевым катализатором, который приводит к молекуле с тремя бензольными кольцами, связанными вместе в плоской треугольной форме. Этот процесс повторяется на всем протяжении цепочки, эффективно застегивая кольца вместе.Инновация, разработанная командой, была новым способом достижения средней ступени, которая формирует трехкольцевую треугольную единицу, которая формирует ядро для дальнейших реакций по генерации молекулы нанографена. В классическом методе соединения бензольных звеньев в качестве реакционных реагентов используются арилгалогениды.
Арилгалогениды — это ароматические соединения, в которых один или несколько атомов водорода, связанных с ароматическим кольцом, заменены атомами галогена, такими как фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) или йод (I). Это позволяет бензолу соединяться в одной точке посредством процесса, называемого димеризацией, который был открыт Фрицем Ульманном и Жаном Билеки в 1901 году.
Однако реакция Ульмана не приводит к образованию нанографенов при использовании соединения фенилена в качестве исходного материала.Команда обнаружила, что использование палладиевого катализатора позволяет установить связи между бензольными звеньями в двух точках, обеспечивая треугольную структуру трех бензольных колец.
В центре каждой группы колец образуется трифениленовый фрагмент.«Это открытие было совершенно случайным», — говорит доцент Кей Мураками, химик из Университета Нагоя и один из руководителей этого исследования. «Мы думаем, что эта реакция является ключом к новому подходу к синтезу нанографена».
Затем команда использовала процесс, называемый реакцией Шолля, чтобы повторить этот процесс и успешно синтезировать молекулу нанографена. Реакция протекает аналогично застегиванию бензольных колец, при этом трифениленовый фрагмент играет роль ядра.«Одной из самых сложных частей этого исследования было получение научных данных, подтверждающих структуру производного трифенилена и молекул нанографена», — говорит Йошито Кога, аспирант, который в основном проводил эксперименты. «Поскольку никто в нашей группе никогда раньше не работал с трифениленами и нанографенами, я проводил исследование методом проб и ошибок. Я был чрезвычайно взволнован, когда впервые увидел масс-спектрометрический сигнал нужной молекулы, чтобы определить массу молекула через MALDI (матричная лазерная десорбция / ионизация), что указывает на то, что нам действительно удалось создать нанографен контролируемым образом ».
Команде уже удалось синтезировать различные производные трифенилена, такие как молекулы, включающие 10 бензольных колец, нафталин (пара конденсированных бензольных колец), атомы азота и атомы серы. Эти беспрецедентные производные трифенилена потенциально могут быть использованы в солнечных элементах.«Подход к созданию функциональных молекул из простых бензольных звеньев будет применим к синтезу не только нанографена, но и различных других наноуглеродных материалов», — говорит Мураками.
«Нанографены обязательно пригодятся в качестве материалов будущего», — говорит профессор Кеничиро Итами, директор проекта JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project. «Мы надеемся, что наше открытие приведет к ускорению прикладных исследований и продвинет область науки о нанографене».