Prezentujemy syntezę amfifilowego heksaynu i jego zastosowanie w przygotowaniu nanoarkuszy węglowych na granicy powietrza i wody z samoorganizującej się monowarstwy tych reaktywnych, bogatych w węgiel prekursorów molekularnych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Prezentujemy syntezę amfifilowego heksaynu i jego zastosowanie w przygotowaniu nanoarkuszy węglowych na granicy powietrza i wody z samoorganizującej się monowarstwy tych reaktywnych, bogatych w węgiel prekursorów molekularnych.
Amfifilowe cząsteczki wyposażone w reaktywny, bogaty w węgiel segment "oligoyne" składający się ze sprzężonych potrójnych wiązań węgiel-węgiel, samoorganizują się w określone agregaty w środowisku wodnym i na granicy faz powietrze-woda. W stanie zagregowanym oligoyny mogą być następnie karbonizowane w łagodnych warunkach, przy zachowaniu morfologii i wbudowanej funkcjonalizacji chemicznej. To nowatorskie podejście zapewnia bezpośredni dostęp do funkcjonalizowanych nanomateriałów węglowych. W tym artykule przedstawiamy podejście syntetyczne, które pozwala nam przygotować amfifile karboksylanu heksayny jako bogate w węgiel rodzeństwo typowych estrów kwasów tłuszczowych poprzez szereg powtarzających się reakcji bromacji i sprzęgania krzyżowego typu Negishiego. Otrzymane związki są zaprojektowane do samoorganizacji w monowarstwy na granicy faz powietrze-woda, a my pokazujemy, jak można to osiągnąć w korycie Langmuira. W ten sposób kompresja cząsteczek na granicy faz powietrze-woda wyzwala tworzenie filmu i prowadzi do gęsto upakowanej warstwy cząsteczek. Całkowita karbonizacja folii na granicy faz powietrze-woda jest następnie realizowana poprzez sieciowanie warstwy heksayny w temperaturze pokojowej, przy użyciu promieniowania UV jako łagodnego bodźca zewnętrznego. Zmiany w warstwie podczas tego procesu można monitorować za pomocą spektroskopii refleksyjno-absorpcyjnej w podczerwieni i mikroskopii kątowej Brewstera. Co więcej, przeniesienie zwęglonych warstw na podłoża stałe techniką Langmuira-Blodgetta pozwoliło nam udowodnić, że były to nanoarkusze węglowe o wymiarach bocznych rzędu centymetrów.
Dwuwymiarowe nanostruktury węglowe przyciągają znaczną uwagę ze względu na zgłaszane wyjątkowe właściwości elektryczne, termiczne i mechaniczne1-5. Oczekuje się, że materiały te przyczynią się do dalszego postępu technicznego w dziedzinie kompozytów polimerowych6, urządzeń do magazynowania energii7 i elektroniki molekularnej8-10. Pomimo intensywnych prac badawczych w ostatnich latach, dostęp do większych ilości dobrze zdefiniowanych nanomateriałów węglowych jest jednak nadal ograniczony, co utrudnia ich wdrożenie na szeroką skalę w zastosowaniach technologicznych11,12.
Nanomateriały węglowe są dostępne zarówno metodą odgórną, jak i oddolną. Typowe podejścia, takie jak techniki złuszczania13 lub procesy wysokoenergetyczne na powierzchniach14-16, oferują możliwość uzyskania materiałów o wysokim stopniu doskonałości strukturalnej i bardzo dobrej wydajności. Izolacja i oczyszczanie produktów pozostaje jednak wyzwaniem, a produkcja na dużą skalę zdefiniowanych materiałów nanostrukturalnych jest trudna12. Z drugiej strony można zastosować podejścia oddolne, które opierają się na wykorzystaniu prekursorów molekularnych, ich ułożeniu w określone struktury, a następnie karbonizacji, która daje nanostruktury węglowe17-23. W tym przypadku same prekursory są bardziej złożone, a ich przygotowanie często wymaga wielu etapów syntetycznych. Podejścia te mogą zapewnić wysoki stopień kontroli nad właściwościami chemicznymi i fizycznymi otrzymanych materiałów i mogą zapewnić bezpośredni dostęp do materiałów dostosowanych do ich potrzeb. Jednak konwersja prekursorów w nanomateriały węglowe odbywa się zwykle w temperaturach powyżej 800 °C, co prowadzi do utraty wbudowanej funkcjonalizacji chemicznej24-27.
Wyżej wymienione ograniczenia zostały rozwiązane w naszej grupie poprzez zastosowanie wysoce reaktywnych oligoyn, które mogą być przekształcane w nanomateriały węglowe w temperaturze pokojowej28,29. W szczególności amfifile składające się z hydrofilowej grupy głównej i segmentu heksaynowego są dostępne dzięki sekwencji reakcji sprzęgania krzyżowego Negishiego za pośrednictwem bromowania i palladu30,31. Konwersja tych cząsteczek prekursorowych w strukturę docelową zachodzi w temperaturze pokojowej lub poniżej niej po naświetlaniu światłem UV. Wysoka reaktywność amfifilów oligoynowych umożliwia stosowanie miękkich matryc, takich jak granica faz powietrze-woda lub granica faz płyn-płyn. W poprzednich badaniach z powodzeniem przygotowano pęcherzyki z roztworów amfifilów glikozydów heksaynowych28. Sieciowanie tych pęcherzyków osiągnięto w łagodnych warunkach poprzez naświetlanie próbek promieniowaniem UV. Co więcej, niedawno przygotowaliśmy samodzielnie składające się monowarstwy z heksaynów z grupą głowicy karboksylanu metylu i hydrofobowym ogonem alkilowym na granicy faz powietrze-woda w korycie Langmuira. Gęsto upakowane prekursory molekularne zostały następnie bezpośrednio przekształcone w samonośne nanoarkusze węglowe w temperaturze pokojowej za pomocą promieniowania UV. W ramach pokrewnych podejść zdefiniowane prekursory molekularne zostały ostatnio wykorzystane do przygotowania dwuwymiarowo rozciągniętych nanoarkuszy na granicy faz powietrze-woda32-38.
Celem tej pracy jest przedstawienie zwięzłego, praktycznego przeglądu ogólnych etapów syntezy i produkcji, które pozwalają na przygotowanie nanoarkuszy węglowych z amfifilów heksamenowych. Nacisk kładziony jest na podejście eksperymentalne i pytania przygotowawcze.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga: Upewnij się, że zapoznałeś się z odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznych (MSDS) przed użyciem jakichkolwiek związków chemicznych. Niektóre substancje chemiczne stosowane w tych syntezach są bardzo toksyczne i rakotwórcze. Przygotowane nanomateriały mogą wiązać się z dodatkowymi zagrożeniami w porównaniu z ich masowymi odpowiednikami. Konieczne jest stosowanie wszystkich odpowiednich praktyk bezpieczeństwa podczas wykonywania reakcji (dygestoria) i środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami). O ile nie zaznaczono inaczej, poniższe procedury obejmują standardowe techniki Schlenka39.
1. Przygotowanie prekursora molekularnego29,31
2. Tworzenie filmu amfifilu heksaynowego na granicy powietrza i wody
Uwaga: Wszystkie eksperymenty na styku powietrze-woda są przeprowadzane z komputerowo połączonymi rynnami Langmuira z politetrafluoroetylenu z jedną (lub dwoma) barierami. Rynny wyposażone są w mikrowagę ciśnieniową powierzchniową z bibułową płytą Wilhelmy'ego. Termostat zewnętrzny służy do utrzymywania temperatury podfazy wody ultraczystej na poziomie 20 °C. Koryta Langmuira są umieszczone w szczelnym pudełku, aby uniknąć zanieczyszczenia interfejsu. Przed przeprowadzeniem pomiarów sprawdzana jest czystość gołej powierzchni poprzez ściskanie. Wszystkie używane eksperymentalne konfiguracje Langmuira są kalibrowane przed użyciem przy użyciu metody kalibracji dwupunktowej: goła powierzchnia wody dla 0 mN/m, a także przejście drugiego rzędu ze stanu nachylonego do niepochylonego kwasu stearynowego42, który nie jest wrażliwy na zmiany temperatury w używanym zakresie temperatur. Zapewnia to wiarygodne i porównywalne pomiary.
3. Karbonizacja monowarstwy amfifilu heksayny w temperaturze pokojowej
Uwaga: Wszystkie eksperymenty na styku powietrze-woda są wykonywane tak, jak opisano powyżej. Naświetlanie promieniami UV odbywa się za pomocą lampy metalohalogenkowej o mocy 250 W domieszkowanej galem (UV-Light Technology, Birmingham, Wielka Brytania). W przypadku karbonizacji folii na granicy faz powietrze-woda, pudełko otaczające rynnę Langmuira jest ostrożnie usuwane lub otwierane z boku, a lampę umieszcza się w odległości 50 cm od powierzchni wody, upewniając się, że granica faz powietrze-woda jest pokryta stożkiem światła UV. Podczas oświetlenia temperatura podfazy jest utrzymywana na poziomie 20 °C za pomocą termostatu koryta Langmuira. Wszystkie doświadczenia karbonizacji przeprowadza się przy ciśnieniu powierzchniowym 8 mN/m. Przy tym ciśnieniu zapewnione jest szczelne upakowanie amfifilów, a jednocześnie monowarstwa wykazuje wysoką stabilność.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Widmo magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) 13C przygotowanej cząsteczki prekursora 3 wykazuje 12 atomów węgla o hybrydyzacji sp w segmencie heksyynowym z odpowiednimi przesunięciami chemicznymi δ = 82-60 ppm (Rysunek 1b). Co więcej, sygnały przy δ = 173 ppm oraz δ = 52 ppm przypisano odpowiednio do węgla karbonylowego i metylowego estru. Sygnały w zakresie δ = 33-14 ppm przypisywane są do węgli alifatycznych reszty dodecylowej. Odpo...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Pożądany amfifil heksaynowy (3) jest bezpośrednio wytwarzany przez sekwencyjną bromację52,53 i katalizowane Pd wydłużenie30,31 segmentu alkinowego, po której następuje końcowa reakcja deprotekcji estru tritylofenylowego (2) (Figura 1a)29. Pomyślną syntezę potwierdza widmo 13C NMR (rysunek 1b) oraz widmo absorpcyjne UV-Vis (rysunek 1c)31,54. Świadczy to o łatwości, z jaką homologi o wyższych oligoinach mogą być otrzym...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Finansowanie z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC Grant 239831) oraz Humboldt Fellowship (BS) są wdzięczne za
uznanie.Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kompleks bromku metylolitu litu (2,2 M roztwór w eterze dietylowym) | Acros | 18129-1000 | wrażliwy na powietrze, łatwopalny |
| chlorek (0,7 Roztwór M w THF) | Acros | 38945-1000 | wrażliwy na powietrze, łatwopalny |
| 1,1'-Bis(difenylofosfino)ferrocen] dichloropallad(II), addukt DCM | Bor molekularny | BM187 | |
| N-Bromosuccinimide | Acros | 10745 | światłoczuły |
| fluorek srebra | Fluorochem | 002862-10g | światłoczuły |
| n-butyllitlit (2,5 M roztwór w heksanach) | Acros | 21335-1000 | wrażliwy na powietrze, łatwopalny |
| Metanolan sodu | Acros | 17312-0050 | |
| Tetrahydrofuran (niestabilizowany, do HPLC) | Fisher Chemicals | T/0706/PB17 | Rozpuszczalnik ten został wysuszony i odgazowany przy użyciu systemu oczyszczania rozpuszczalnika (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA) |
| Toluen (do HPLC) | Fisher Chemicals | T/ 2306/17 | Rozpuszczalnik ten został wysuszony i odgazowany przy użyciu systemu oczyszczania rozpuszczalnika (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA) |
| Acetonitryl (do HPLC) | Fisher Chemicals | A/0627/17 | Rozpuszczalnik ten został wysuszony i odgazowany przy użyciu systemu oczyszczania rozpuszczalnika (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, USA) |
| Dichlorometan (Extra Dry over Molecular Pipeve) | Acros | 34846-0010 | |
| Chloroform (p.a.) | VWR International | 1.02445.1000 | |
| Pentan | Reactolab | 99050 | Zakupiony jako odczynnik i jednokrotnie destylowany przed użyciem |
| Heptan | Reactolab | 99733 | Zakupiony jako odczynnik i destylowany raz przed użyciem |
| Dichlorometan | Reactolab | 99375 | Zakupiony jako odczynnik i jednokrotnie destylowany przed użyciem |
| Eter dietylowy | Reactolab | 99362 | Zakupiony jako odczynnik i jednokrotnie destylowany przed użyciem |
| Żel krzemionkowy Geduran (Si 60, 40-60 &mikro; m) | Merck | 1115671000 | |
| Langmuir przez | R& K, Termostat poczdamski | ||
| E1 Strzykawka Medingen | |||
| Hamilton | Model 1810 RN SYR | ||
| Vertex 70 | Bruker | ||
| Zewnętrzna jednostka odbijająca powietrze/wodę (XA-511) | Lampa UV Bruker | ||
| (250 W, żarówka metalohalogenkowa domieszkowana Ga) | Technologia | ||
| Mikroskop kątowy Brewstera (BAM1+) | NFT Gö ttingen | ||
| Podłoża szafirowe | Stecher Ceramika | ||
| Quantifoil dziurawy węgiel Siatki TEM | Mikroskopia elektronowa Nauki | ||
| Spektrometr magnetycznego rezonansu jądrowego (Bruker Avance III 400) | Spektrometr UV | ||
| JASCO V-670 Skaningowy | JASCO | ||
| (Zeiss Merlin FE-SEM) | Zeiss |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.