Простая стратегия синтеза ковалентных органических нанотрубок по принципу спирали в трубку

Кахо Маэда, доктор Хидэто Ито, профессор Кеничиро Итами из проекта JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon и Института трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагоя и их коллеги сообщили в Журнале Американского химического общества о разработка новой и простой стратегии синтеза ковалентных органических нанотрубок «от спирали к трубке».Органические нанотрубки (ONT) — это органические молекулы с трубчатыми наноструктурами. Наноструктуры — это структуры размером от 1 до 100 нм, а ONT имеют полость нанометрового размера. Сообщалось о различных применениях ONT, включая материалы для молекулярного распознавания, трансмембранные ионные каналы / датчики, электропроводящие материалы и органические фотоэлектрические элементы.

Большинство ONT построены в процессе самосборки, основанном на слабых нековалентных взаимодействиях, таких как водородные связи, гидрофобные взаимодействия и π-π взаимодействия между ароматическими кольцами. Из-за этих относительно слабых взаимодействий большинство нековалентных ONT обладают относительно хрупкой структурой.

Ковалентные ONT, трубчатые каркасы которых сшиты ковалентными связями (связь, образованная разделением электронов между атомами), могут быть синтезированы из нековалентных ONT. Хотя ковалентные ONT демонстрируют более высокую стабильность и механическую прочность, чем нековалентные ONT, общая стратегия синтеза ковалентных ONT еще предстоит разработать.Группе под руководством Хидето Ито и Кеничиро Итами удалось разработать простой и эффективный метод синтеза надежных ковалентных ONT (трубка) путем простого в эксплуатации светового облучения легкодоступного спирального полимера (спирали). Эта так называемая стратегия «спираль-трубка» основана на следующих этапах: 1) полимеризация небольшой молекулы (мономера) для получения спирального полимера с последующим, 2) индуцированное светом поперечное сшивание с продольно повторяющимися шагами поперек вся спираль с образованием ковалентных нанотрубок.

Следуя своей стратегии, команда разработала и синтезировала спиральные полимеры на основе диацетилена (ацетилены — это молекулы, содержащие тройные углерод-углеродные связи), поли (м-фенилендиэтинилен) s (поли-ФДЭ), который имеет хиральные амидные боковые цепи, способные вызвать спиральное складывание за счет взаимодействия водородных связей.Исследователи обнаружили, что индуцированное светом поперечное сшивание продольно ориентированных 1,3-бутадиновых фрагментов (группа молекул, содержащих четыре атома углерода с тройными связями у первого и третьего атомов углерода) может генерировать желаемый ковалентный ONT. «Впервые в мире показано, что реакция фотохимической полимеризации диинов применима к реакции сшивания спирального полимера», — говорит Маэда, аспирант, который в основном проводил эксперименты.Ожидается, что метод «спираль-трубка» сможет генерировать ряд материалов на основе ONT путем простого изменения арена (ароматического кольца) в мономере.«Одна из самых сложных частей этого исследования заключалась в том, как получить научные данные о структурах поли-PDE и ковалентных ONT», — говорит Ито, один из руководителей этого исследования. «У нас было мало опыта в анализе полимеров и макромолекул, таких как ONT.

К счастью, благодаря поддержке наших сотрудников из Университета Нагоя, которые являются специалистами в этих конкретных областях исследований, нам, наконец, удалось охарактеризовать эти макромолекулы с помощью различных методов, включая спектроскопию. , Рентгеновская дифракция и микроскопия ».«Хотя на синтез ковалентного ONT у нас ушло около года, нам потребовалось еще полтора года, чтобы определить структуру нанотрубки», — говорит Маэда. «Я была очень взволнована, когда впервые увидела изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), которые показали, что мы действительно создали ковалентный ONT, которого ожидали», — продолжает она.«Лучшей частью исследования для меня было обнаружение того, что фотохимическое поперечное сшивание произошло на спирали впервые», — говорит Маэда. «Кроме того, фотохимическое сшивание, как известно, обычно происходит в твердой фазе, но мы смогли показать, что реакция протекает также и в фазе раствора. Поскольку реакции никогда раньше не проводились, я сомневался в том, что во-первых, но это было прекрасное чувство — впервые в мире заставить реакцию работать.

Я могу с уверенностью сказать, что это был момент, когда я действительно нашел интересным исследование ».«Мы были очень рады разработать этот простой, но мощный метод синтеза ковалентных ONT», — говорит Итами, директор проекта JST-ERATO и директор центра ITbM. «Метод« спираль-трубка »позволяет проектировать на молекулярном уровне и приведет к синтезу различных ковалентных ONT с фиксированными диаметрами и длинами трубок с желаемыми функциональными возможностями».«Мы предполагаем, что постоянное развитие метода« спираль-трубка »может привести к разработке различных материалов на основе ONT, включая электропроводящие материалы и люминесцентные материалы», — говорит Ито. «В настоящее время мы работаем над методологией« спираль-трубка »и надеемся синтезировать ковалентные ONT с интересными свойствами для различных приложений».

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *