Мы представляем синтез амфифильного гексаина и его использование в получении углеродных нанолистов на границе раздела воздух-вода из самоорганизующегося монослоя этих реакционноспособных, богатых углеродом молекулярных предшественников.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Мы представляем синтез амфифильного гексаина и его использование в получении углеродных нанолистов на границе раздела воздух-вода из самоорганизующегося монослоя этих реакционноспособных, богатых углеродом молекулярных предшественников.
Амфифильные молекулы, оснащенные реакционноспособным, богатым углеродом "олигойным" сегментом, состоящим из сопряженных тройных связей углерод-углерод, самоорганизуются в определенные агрегаты в водных средах и на границе воздух-вода. В агрегированном состоянии олигоины могут быть затем карбонизированы в мягких условиях, сохраняя при этом морфологию и встроенную химическую функционализацию. Этот новый подход обеспечивает прямой доступ к функционализированным углеродным наноматериалам. В этой статье мы представляем синтетический подход, который позволяет получать амфифилы гексайнакарбоксилата в качестве богатых углеродом братьев типичных сложных эфиров жирных кислот с помощью серии повторяющихся реакций бромирования и перекрестного связывания типа Негиши. Полученные соединения спроектированы таким образом, чтобы самособираться в монослои на границе раздела воздух-вода, и мы показываем, как это может быть достигнуто в желобе Ленгмюра. Таким образом, сжатие молекул на границе раздела воздух-вода запускает образование пленки и приводит к образованию плотно упакованного слоя молекул. Полная карбонизация пленок на границе раздела воздух-вода затем осуществляется путем сшивания слоя гексаина при комнатной температуре с использованием ультрафиолетового излучения в качестве мягкого внешнего стимула. Изменения слоя во время этого процесса можно отслеживать с помощью инфракрасной спектроскопии отражения-поглощения и угловой микроскопии Брюстера. Более того, перенос карбонизированных пленок на твердые подложки по методу Ленгмюра-Блоджетта позволил доказать, что они представляют собой углеродные нанолисты с поперечными размерами порядка сантиметров.
Двумерные углеродные наноструктуры привлекают значительное внимание в связи с сообщенной выдающихся электрических, термических, а также механические свойства 1-5. Эти материалы , как ожидается , для дальнейшего технического прогресса в области полимерных композиционных материалов 6, устройств хранения энергии 7 и молекулярной электроники 8-10. Несмотря на интенсивные усилия исследований в последние годы, однако, доступ к большим количеством четко определенных наноматериалов углерода по - прежнему ограничено, что затрудняет их реализацию крупномасштабного в технологических применений 11,12.
Углеродные наноматериалы доступны либо сверху вниз или снизу вверх подходов. Типичные подходы , такие как методы расслаивание 13 или процессов высоких энергий на поверхности 14-16 дают возможность получать материалы с высокой степенью структурного совершенства и очень хорошей производительностью. Тем не менее, выделение и очистка гое продукты остается сложной, а крупномасштабное производство определенных наноструктурных материалов трудно 12. С другой стороны, снизу вверх подходы могут быть использованы , которые основаны на использовании молекулярных предшественников, их расположение в определенных структурах, и последующее коксование , что дает углеродные наноструктуры 17-23. В этом случае сами предшественники являются более сложными и их подготовка часто требует нескольких стадий синтеза. Эти подходы могут предложить высокую степень контроля над химическими и физическими свойствами полученных материалов и может предоставить прямой доступ к материалам с учетом. Тем не менее, превращение предшественников в углеродные наноматериалы , как правило , проводят при температуре выше 800 ° С, что приводит к потере встроенного химического функционализации 24-27.
Указанные ограничения были рассмотрены в нашей группе с использованием высокой реакционной способностью oligoynes, что СаN быть преобразованы в углеродные наноматериалы при комнатной температуре 28,29. В частности, амфифильные , содержащие гидрофильную концевую группу , и сегмент hexayne доступны через последовательность бромирования и палладий-опосредованной реакции Негиши кросс-сочетания 30,31. Превращение этих молекул-предшественников в целевой структуры происходит при комнатной температуре или ниже при облучении ультрафиолетовым светом. Высокая реакционная способность oligoyne амфифильных делает использование мягких шаблонов, таких как границы раздела воздух-вода или интерфейсам жидкость-жидкость, это возможно. В предыдущих исследованиях, мы успешно подготовили везикулы из растворов hexayne гликозидов амфифильных 28. Перекрестное связывание этих пузырьков было достигнуто в мягких условиях с помощью УФ-облучения образцов. Кроме того, недавно мы подготовили самоорганизующихся монослоев из hexaynes с метилом карбоксилатной головной группы и гидрофобной алкильной хвост на границе раздела воздух-вода в корыте Ленгмюра. Плотно пакетЕ.Д. молекулярные предшественники были затем преобразованы в прямолинейно самонесущих углерода нанолистов при комнатной температуре с помощью УФ-облучения. В родственных подходов , определенные молекулярные предшественники недавно были использованы для подготовки двумерным расширенных нанолистов на границе раздела воздух-вода 32-38.
Целью данной работы является дать краткий, практический обзор общего синтеза и изготовления ступеней, которые позволяют для получения углеродных нанолистов из hexayne амфифильных. Основное внимание уделяется экспериментальным подходом и препаративных вопросов.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Внимание: Пожалуйста, убедитесь, чтобы обратиться к соответствующим паспортах безопасности материалов (MSDS) перед использованием любых химических соединений. Некоторые из химических веществ, используемых в этих синтезов остро токсичными и канцерогенными. Подготовленные наноматериалы могут иметь дополнительные риски по сравнению с их насыпной коллегой. Крайне важно, чтобы использовать все соответствующие практики безопасности при проведении реакции (вытяжной шкаф) и средства индивидуальной защиты (защитные очки, перчатки, лабораторный халат, полные штаны длина, закрытые носок обуви). Если не указано иначе следующие процедуры включают стандартные методики Шленка 39.
1. Получение молекулярного Предтечи 29,31
2. Фильм Формирование Hexayne амфифильных в-воде радиоинтерфейса
Примечание: Все эксперименты на границе раздела воздух-вода осуществляется с компьютерным интерфейсом политетрафторэтилена Ленгмюра желобов с одним (или двумя) барьеров. Желоба оснащены микровесов давления поверхности фильтровальной бумагой Пластинка Вильгельми. Внешний термостат используется для поддержания температуры воды, используемой субфазе сверхчистой при температуре 20 ° С. Желоба Ленгмюровские помещаются в запечатанной коробке, чтобы избежать загрязнения интерфейса. Перед тем как измерения проводятся, чистота обнаженной поверхности проверяется путем сжатия. Все использованные экспериментальные Ленгмюровские расстановок откалиброваны перед использованием путем использования метода калибровки по двум точкам: голую поверхность воды для 0 мН / м, а также переход второго рода от наклоненной к не наклоненном состоянии стеариновой кислоты 42, который не чувствителен к изменениям температуры в используемом TEMPERATДиапазон Юр. Это обеспечивает надежные и сопоставимые измерения.
3. Карбонизации из Hexayne амфифильных монослоя при комнатной температуре
Примечание: Все эксперименты на границе раздела воздух-вода выполнены, как описано выше. UV irradiвания осуществляется с использованием 250 Вт, легированная галлием металлогалогенные УФ-лампы (UV-Light Technology, Бирмингем, Великобритания). Для carbonizations пленок на границе раздела воздух-вода, коробка ограждающих желоб Ленгмюра осторожно удаляют или открыт на стороне, и лампа находится в 50 см от поверхности воды, обеспечивая при этом интерфейс воздух-вода покрыта в конус УФ-излучения. Во время освещения, температура субфазе поддерживается при температуре 20 ° С с помощью термостата желоба Ленгмюра. Все эксперименты карбонизации осуществляют при давлении на поверхности 8 мН / м. При этом давлении плотная упаковка из амфифильных обеспечивается некоторое время, в то же время, монослой показывает высокую стабильность.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
13 C ядерного магнитного резонанса (ЯМР) Спектр приготовленную молекулы предшественника 3 представлены 12 SP -hybridized атомов углерода в сегменте hexayne с соответствующими химическими сдвигами б = 82-60 частей на миллион (рисунок 1b). Кроме того, сигналы, поступающие б = 173 частей на миллион, и при & delta; = 52 частей на миллион назначаются карбонильной и метильного углерода сложного эфира, соответственно. Сигналы между б = 3...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Нужный hexayne амфифил (3) прямолинейно приготавливают последовательными бромирования 52,53 и Pd-катализируемой удлинение 30,31 сегмента алкинов, с последующей конечной реакции удаления защитной группы из tritylphenyl эфира (2) (рис 1а) 29. Успешный синтез подтверждается 13 C - ЯМР - спектр (рисунок 1b), а также УФ-Вис спектр поглощения (рис 1в) 31,54. Это свидетельствует о том поспешном природу , с помощью которых ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать.
Выражаем благодарность за финансирование от Европейского исследовательского совета (ERC Grant 239831) и стипендию Гумбольдта (BS).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Метиллитий-бромидный комплекс лития (2,2 M раствор в диэтилетере) | Acros | 18129-1000 | воздухочувствительный, легковоспламеняющийся |
| хлорид цинка (0,7 M раствор в THF) | Acros | 38945-1000 | воздухочувствительный, легковоспламеняющийся |
| 1,1'-бис(дифенилфосфин)ферроцен] дихлорпалладий(II), аддукт DCM | Бор молекулярный | BM187 | |
| N-бромосукцинимид | Acros | 10745 | светочувствительный |
| фторид серебра | Fluorochem | 002862-10g | светочувствительный |
| n-бутиллитий (2.5 M раствор в гексанах) | Acros | 21335-1000 | воздухочувствительный, легковоспламеняющийся |
| метанолат натрия | Acros | 17312-0050 | |
| тетрагидрофуран (нестабилизированный, для ВЭЖХ) | Fisher Chemicals | T/0706/PB17 | Этот растворитель был высушен, а также дегазирован с использованием системы очистки растворителем (Innovative Technology, Inc, Эймсбери, Массачусетс, США) |
| Толуол (для ВЭЖХ) | Fisher Chemicals | T/ 2306/17 | Этот растворитель был высушен, а также дегазирован с использованием системы очистки растворителей (Innovative Technology, Inc, Amesbury, MA, США) |
| Ацетонитрил (для ВЭЖХ) | Fisher Chemicals | A/0627/17 | Этот растворитель был высушен, а также дегазирован с использованием системы очистки растворителем (Innovative Technology, Inc, Эймсбери, Массачусетс, США) |
| Дихлорметан (сверхсухой на молекулярном сите) | Acros | 34846-0010 | |
| Хлороформ (p.a.) | VWR International | 1.02445.1000 | |
| Pentane | Reactolab | 99050 | Приобретен как реагент и дистиллирован один раз перед использованием |
| Heptane | Reactolab | 99733 | Приобретен как реагент и дистиллирован один раз перед использованием |
| Dichloromethane | Reactolab | 99375 | Приобретен как реагент и дистиллирован один раз перед использованием |
| Diethylether | Reactolab | 99362 | Приобретен как реагент и дистиллирован один раз перед использованием |
| силикагеля Geduran (Si 60, 40-60 &микро; m) | Merck | 1115671000 | |
| Ленгмюрский прож | R& K, Потсдамский | ||
| термостат | E1 Medingen | ||
| Hamilton шприц | Модель 1810 RN SYR | ||
| Vertex 70 ИК-Фурье спектрометр | Внешний | ||
| (XA-511) | Bruker | ||
| (250 Вт, газолегированная металлогалогенная лампа) | технологией | ||
| (BAM1+) | NFT Gö Тинген | ||
| Сапфировые подложки | Stecher Керамика | ||
| Quantifoil дырчатый углерод ПЭМ сетки | Электронная микроскопия Науки | ||
| Ядерный магнитный резонансный спектрометр (Bruker Avance III 400) | Bruker | ||
| JASCO V-670 УФ/ВИД спектрометр | JASCO | ||
| Сканирующий электронный микроскоп (Zeiss Merlin FE-SEM) | Zeiss |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.