私たちは、両親媒性ヘキサンの合成と、これらの反応性で炭素に富む分子前駆体の自己組織化単層からの空気-水界面でのカーボンナノシートの調製におけるその使用について紹介します。
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私たちは、両親媒性ヘキサンの合成と、これらの反応性で炭素に富む分子前駆体の自己組織化単層からの空気-水界面でのカーボンナノシートの調製におけるその使用について紹介します。
共役炭素-炭素三重結合からなる反応性で炭素に富む「オリゴイン」セグメントを備えた両親媒性分子は、水性媒体中および空気-水界面で定義された凝集体に自己組織化します。凝集状態では、オリゴインは、形態と埋め込まれた化学的官能基化を維持しながら、穏やかな条件下で炭化することができます。この新しいアプローチにより、機能化されたカーボンナノ材料への直接アクセスが可能になります。本稿では、臭素化反応と根岸型クロスカップリング反応を繰り返すことにより、代表的な脂肪酸エステルの炭素リッチな兄弟体としてヘキサンカルボン酸両親媒性物質を調製できる合成アプローチを紹介します。得られた化合物は、空気と水の界面で自己組織化して単分子膜を形成するように設計されており、これをラングミュアトラフでどのように達成できるかを示します。したがって、空気と水の界面での分子の圧縮は、膜形成を引き起こし、分子の密集した層につながります。次に、空気と水の界面での膜の完全な炭化は、UV照射を穏やかな外部刺激として使用して、室温でヘキサン層を架橋することによって達成されます。このプロセス中の層の変化は、赤外線反射吸収分光法とブリュースター角顕微鏡の助けを借りて監視できます。さらに、Langmuir-Blodgett法により、炭化した膜を固体基板上に転写することで、それらがセンチメートルオーダーの横寸法のカーボンナノシートであることを証明することができました。
二次元のカーボンナノ構造体が原因で報告された優れた熱、電気だけでなく、機械的特性1-5に大きな注目を集めています。これらの材料は、ポリマー複合6、エネルギー貯蔵装置7と、分子エレクトロニクス8-10の分野における技術的進歩を促進することが期待されます。近年の集中的な研究努力にもかかわらず、しかし、明確に定義されたカーボンナノ材料のより多くの量へのアクセスはまだ技術的応用11,12での大規模な実装を妨げている、制限されています。
カーボンナノ材料は、トップダウンまたはボトムアップのいずれかの方法でアクセスできます。このような表面14-16上に剥離技術13または高エネルギープロセスのような典型的なアプローチは、構造的な完全かつ非常に良好な性能の高い材料を得るために可能性を提供します。目のただし、単離及び精製電子製品が困難なままであり、定義されたナノ構造材料の大規模生産が困難である12。一方、ボトムアップアプローチは、分子前駆体の使用に依存していること、その定義された構造に構成し、カーボンナノ構造体17-23が得られる後続の炭化を用いることができます。この場合、前駆体自体は、より複雑であり、それらの製造は、多くの場合、複数の合成工程を必要とします。これらのアプローチは、得られる材料の化学的および物理的特性を高度に制御提供することがありますし、合わせた材料への直接アクセスを提供することができます。しかし、カーボンナノ材料への前駆体の変換は、典型的には、埋め込 まれた化学官能24-27の損失につながる、800℃以上の温度で行われます。
上記の制限は、そのcaの反応性の高いoligoynesを採用することにより、当社グループで対処されましたnは室温28,29でカーボンナノ材料に変換すること。具体的には、親水性の頭部基とhexayneセグメントを含む両親媒性物質は、臭素化およびパラジウム媒介根岸クロスカップリング反応30,31のシーケンスを介してアクセス可能です。標的構造へのこれらの前駆体分子の変換は、紫外光照射により室温以下に起こります。 oligoyne両親媒性物質の高い反応性は、そのような可能な空気 - 水界面または流体 - 流体界面、のような柔らかいテンプレートを利用します。以前の研究では、我々が正常にhexayne配糖体の両親媒性物質28の溶液から小胞を用意しました。これらの小胞の架橋サンプルのUV照射により温和な条件下で達成されました。さらに、我々は最近、メチルカルボキシレート頭部基とラングミュアトラフ内の空気 - 水界面における疎水性のアルキル尾を持つhexaynesから自己組織化単分子膜を作成しました。密にパックエド分子前駆体は、その後、直接的にUV照射により、室温で自立カーボンナノシートに変換しました。関連するアプローチで定義された分子前駆体は、最近、空気-水界面32-38において二次元拡張ナノシートの製造のために使用されてきました。
この作業の目的は、hexayne両親媒性物質からの炭素ナノシートの調製を可能全体の合成および製造工程の簡潔な、実用的な概要を提供することです。焦点は、実験的なアプローチと取質問にあります。
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注意:任意の化学化合物の使用前に、関連材料の安全性データシート(MSDS)を参照してくださいしてください。これらの合成に使用される化学物質の一部は、急性毒性及び発がん性があります。調製されたナノ物質は、そのバルク対応物に比べて付加的な危険性を有していてもよいです。反応(ヒュームフード)と個人用保護具(安全眼鏡、手袋、白衣、完全長ズボン、閉じたつま先の靴を)実行するとき、すべての適切な安全対策を使用することが不可欠です。そうでない場合は、次の手順は、標準的なシュレンク技術39を含んで述べられている場合ではありません。
分子前駆体29,31の作製
空気 - 水界面でのHexayne両親媒性物質の2成膜
注:空気 - 水界面におけるすべての実験は1(または2)の障壁とコンピュータ・インターフェースポリテトラフルオロエチレンラングミュアトラフを用いて行われています。谷は、ろ紙ウィルヘルミー板と面圧マイクロバランスが装備されています。外部サーモスタットは、20℃の超純水のサブフェーズの温度を維持するために使用されます。ラングミュアトラフは、インターフェースの汚染を避けるために密閉ボックス内に配置されています。測定が行われる前に、裸の面の純度を圧縮することによってチェックされます。 、0 MN / mのための裸の水面だけでなく、ステアリン酸42の非傾斜状態に傾いてから二次転移:すべて使用された実験ラングミュアセットアップは2点校正法を用いて使用前に校正されていそれは使用temperatの温度変化に敏感ではありませんURE範囲。これは、信頼性と同等の測定を保証します。
室温でのHexayne両親媒性物質の単層の3炭化
注:上記のように空気 - 水界面における全ての実験が行われます。 UV irradiationが250 WガリウムドープメタルハライドUVランプ(紫外線技術、バーミンガム、英国)を用いて行われます。空気 - 水界面でのフィルムのcarbonizationsについては、ラングミュアトラフを囲むボックスは慎重に除去されるか、または側に開き、空気 - 水界面がで覆われていることを確保しつつ、ランプは水面から50センチメートル離して配置されていますUV光の円錐。照明中、副相の温度は、ラングミュアトラフのサーモスタットを使用して20℃に維持されます。すべての炭化実験は8 MN / Mの面圧で行われます。同時に、単分子層は、高い安定性を表示しながら、この圧力で両親媒性物質の密な充填が保証されます。
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調製された前駆体分子の13 C核磁気共鳴(NMR)スペクトル3ディスプレイδ= 82から60までのppm( 図1B)の対応する化学シフトとhexayneセグメントの12 SP混成炭素原子を有します。また、δ= 173 ppmのとδ= 52 ppmの信号は、それぞれ、エステルのカルボニルおよびメチル炭素に割り当てられています。 δ= 33から14 ppmの間の信号は、ドデシル残基の脂肪族炭素原子に起因しています。 3の対応するUV / Vis吸収スペクトルは、hexayne( 図1c)の特性振電微細構造を示しています。
hexayne両親媒性物質(3)のフィルム形成特性は、表面圧 - 面積等温線の測定及び(圧縮弾性率を導出することによって調査されています図2A-B)。層の圧縮は<...
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所望hexayne両親媒性物質(3)は、直接的に順次臭素52,53及びトリチルエステル(2)( 図1a)29の最終的な脱保護反応が続くアルキンセグメントのPd触媒伸長30,31、によって調製されます。成功した合成は、13 C NMRスペクトル( 図1b)と同様にUV-Vis吸収スペクトル( 図1c)31,54によって確認されます。これは、より高いoligoyneホモログが開発合成方法30,31により製造することができることで容易な性質を示します。しかし、心内oligoyne誘導体の感度を維持することが重要であり、希釈溶液での貯蔵は、長期の完全性を保証するために推奨されます。また、きちんとした化合物は、任意の早期分解を避けるために、室温以下で暗闇の中で処理する必要があります。これは、のために極めて重要ですこの化合物は容易に固体状態41で二量体化するよう、hexayneエステル(2)の合成...
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著者らは開示するものは何もない。
欧州研究会議(ERC助成金239831)およびフンボルトフェローシップ)からの資金提供に感謝いたします。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| メチルリチウム臭化リチウム錯体(2.2 ジエチルエーテル中のM溶液) | Acros | 18129-1000 | 空気に敏感な可燃性 |
| 塩化亜鉛 (0.7 THF) | Acros | 38945-1000 | 空気に敏感で可燃性 |
| の1,1'-ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン] ジクロロパラジウム(II)、DCM付加物中のM溶液 | ホウ素分子 | BM187 | |
| N-ブロモスクシンイミド | Acros | 10745 | 感光性 |
| フッ化銀 | Fluorochem | 002862-10g | 感光性 |
| n-ブチルリチウム(2.5 ヘキサン中のM溶液) | Acros | 21335-1000 | 空気に敏感な、可燃性 |
| メタノール酸ナトリウム | Acros | 17312-0050 | |
| テトラヒドロフラン(非安定化、HPLC用) | Fisher Chemicals | T/0706/PB17 | この溶媒は、溶媒精製システム(Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA) |
| トルエン(HPLC用) | Fisher Chemicals | T/2306/17 | この溶媒は、溶媒精製システムを使用して乾燥および脱気されました (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA) |
| アセトニトリル (HPLC 用) | Fisher Chemicals | A/0627/17 | この溶媒は、溶媒精製システムを使用して乾燥および脱気されました (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA) |
| ジクロロメタン (Extra Dry over Molecular Sieve) | Acros | 34846-0010 | |
| クロロホルム (p.a.) | VWR International | 1.02445.1000 | |
| Pentane | Reactolab | 99050 | 試薬グレードとして購入し、使用前に一度蒸留 |
| Heptane | Reactolab | 99733 | 試薬グレードとして購入し、使用前に一度蒸留 |
| Dichloromethane | Reactolab | 99375 | 試薬グレードとして購入し、使用 |
| 前に一度蒸留Diethylether | Reactolab | 99362 | 試薬グレードとして購入し、使用前に一度蒸留 |
| Geduran シリカゲル (Si 60, 40-60 &マイクロ;m) | メルク | 1115671000 | |
| ラングミュアトラフ | R&K、ポツダム | ||
| サーモスタット | E1 メディンゲン | ||
| ハミルトン シリンジ | モデル 1810 RN SYR | ||
| Vertex 70 FT-IR 分光計 | ブルカー | ||
| 外気・水反射ユニット (XA-511) | ブルカーUV | ||
| ランプ(250W、Gaドープメタルハライド電球) | UVライトテクノロジー | ||
| ブリュースター角度顕微鏡(BAM1+) | NFTのGöttingen | ||
| サファイア基板 | Stecher Ceramics | ||
| Quantifoil holey carbon TEM grids | 電子顕微鏡科学 | ||
| 核磁気共鳴分光計 (Bruker Avance III 400) | Bruker | ||
| JASCO V-670 UV/Vis分光計 | JASCO | ||
| 走査型電子顕微鏡 (Zeiss Merlin FE-SEM) | ツァイス |
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