名古屋大学开发出有机纳米管的简便合成方法

2016-08-100阅读0

  日本名古屋大学2016年8月5日宣布,开发出了利用简单的有机化合物,分两步简便合成以有机分子为基本骨架、类似碳纳米管的筒状构造体“有机纳米管”的新方法。对有机纳米管的骨架采用不同的设计,可赋予其半导体特性、导电性、分子识别、分子吸引能等功能,因此有望作为功能性材料广泛应用。

  

有机纳米管的普通合成法

  (图片出自名古屋大学新闻发布资料)

  有机纳米管(ONT:Organic Nanotube)拥有纳米级筒状空孔,凭借导电性及发光特性等特点,有望用于分子识别材料、生物体膜的离子通道以及导电性材料。不过,迄今为止发布的有机纳米管是在氢键及芳香环的π-π相互作用等键合力弱的相互作用下保持管体结构,因此存在结构脆弱性等问题。

  

共价键性有机纳米管的特点

  (图片出自名古屋大学新闻发布资料)

  如果能够合成像碳纳米管一样以共价键规则交联整个管体构造的“共价键性有机纳米管”(covalent ONT),便可开发出更硬更坚固的有机纳米管,并有望提高导电性及光学特性。不过,合成拥有交联共价键的有机纳米管存在非常大的难度,以前并没有明确的合成方法。

  

新开发的共价键性有机纳米管的新合成方法“helix-to-tube法”的概要

  (图片出自名古屋大学新闻发布资料)

  此次名古屋大学的研究人员利用小的有机分子合成螺旋高分子,使螺旋高分子的骨架内发生光交联反应,开发出了简便合成共价健性有机纳米管的“helix-to-tube法”。螺旋高分子是由2个乙炔骨架在苯环的间位连接的高分子“聚(间亚苯基亚乙炔基)(poly-PDE)”设计并合成的。

  

自发形成螺旋的螺旋高分子poly-PDE的设计

  (图片出自名古屋大学新闻发布资料)

  具体的分子设计是,在poly-PDE的侧链中导入利用氢键促进螺旋形成的酰胺基、使溶于有机溶媒的溶解性提高的低聚乙二醇链、激发手性螺旋形成的非对称碳中心,使其自发形成螺旋。接下来,用汞灯等对螺旋状态的poly-PDE实施光照射,使交联共价键形成,构筑covalent ONT。这一反应是丁二炔分子在固态晶体中受到光照射而引起的拓扑化学聚合的一种。

  

利用光照射的共价键性有机纳米管的合成

  通过丁二炔(左下红线部分)的拓扑化学聚合形成坚固的交联共轭烯炔结构(右下红线部分) (图片出自名古屋大学新闻发布资料)

  对合成的covalent ONT实施拉曼分光分析及紫外可视吸收测定的结果显示,确实形成了螺旋高分子整体拥有坚固键合性的交联共轭烯炔结构。并且还通过透射型电子显微镜确认,合成的covalent ONT是共价键性有机纳米管状结构体。今后,通过嵌入多种芳香环成分,还有望开发出具有多种管径及功能的共价键性有机纳米管。

  

共价键性有机纳米管的透射型电子显微镜图像

  (照片出自名古屋大学新闻发布资料)

  此次的研究成果已于2016年8月4日(美国东部时间)发表在美国化学杂志《Journal of the American Chemical Society》的在线速报版上。(特约撰稿人:工藤 宗介)

  (全文完)