Estrategias para sintetizar nanografeno. Crédito:Universidad de Nagoya
Los nanografenos están atrayendo un gran interés de muchos investigadores como un poderoso candidato para la próxima generación de materiales de carbono debido a sus propiedades eléctricas únicas. Los científicos de la Universidad de Nagoya han desarrollado una forma rápida de formar nanografenos de forma controlada. Este método simple y poderoso para la síntesis de nanografeno podría ayudar a generar una gama de materiales optoelectrónicos novedosos, como pantallas orgánicas electroluminiscentes y células solares.
Un grupo de químicos del Proyecto JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon y el Instituto de Bio-Moléculas Transformativas (ITbM) de la Universidad de Nagoya, y sus colegas han desarrollado un método simple y poderoso para sintetizar nanographenes. Este nuevo enfoque, descrito recientemente en la revista Ciencias , se espera que conduzca a un progreso significativo en la síntesis orgánica, ciencia de materiales y química catalítica.
Nanografenos, tiras unidimensionales de grafeno de un nanómetro de ancho, son moléculas compuestas por unidades de benceno. Los nanografenos están atrayendo interés como un poderoso candidato para materiales de próxima generación, incluidos los materiales optoelectrónicos, debido a sus características eléctricas únicas. Estas propiedades de los nanografenos dependen principalmente de su ancho, estructuras de longitud y borde. Por lo tanto, Los métodos eficaces para acceder a nanografenos controlados estructuralmente son muy deseables.
La síntesis ideal de nanografenos sería un conjunto de unidades de benceno similar a un 'LEGO' para definir el número exacto y la forma de la molécula. Sin embargo, este enfoque directo no es posible actualmente. El equipo desarrolló un método alternativo que es simple y controla la estructura del nanografeno a medida que se forma en tres pasos clave.
Un nuevo enfoque sintético de nanografenos a partir de fenileno. Crédito:Universidad de Nagoya
Primero, los derivados simples de benceno se ensamblan linealmente, a través de una reacción de acoplamiento cruzado. Luego, estas cadenas de benceno están conectadas entre sí por un catalizador de paladio que conduce a una molécula con tres anillos de benceno unidos en un plano, forma triangular. Este proceso se repite a lo largo de la cadena, cerrar eficazmente los anillos juntos.
La innovación que desarrolló el equipo fue una nueva forma de lograr el paso intermedio que forma la unidad en forma de triángulo de tres anillos que forma el núcleo de reacciones posteriores para generar la molécula de nanografeno. Una técnica clásica para conectar unidades de benceno utiliza haluros de arilo como reactivos de reacción. Los haluros de arilo son compuestos aromáticos en los que uno o más átomos de hidrógeno unidos a un anillo aromático se reemplazan por átomos de halógeno como el flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br), o yodo (I). Esto permite que el benceno se conecte en un solo punto a través de un proceso llamado dimerización, que fue descubierto por Fritz Ullmann y Jean Bielecki en 1901. Sin embargo, la reacción de Ullmann no genera nanografenos cuando se usa el compuesto fenileno como material de partida.
El equipo descubrió que el uso de un catalizador de paladio permitió conexiones entre unidades de benceno en dos puntos, proporcionando la estructura triangular de tres anillos de benceno. Se forma un resto trifenileno en el centro de cada grupo de anillos.
"Este descubrimiento fue bastante accidental, "dice el profesor asociado designado Kei Murakami, químico de la Universidad de Nagoya y uno de los líderes de este estudio. "Creemos que esta reacción es la clave de este nuevo enfoque para la síntesis de nanografeno".
Síntesis de un nanografeno a través de 3 pasos a partir de un derivado de benceno simple. Crédito:Universidad de Nagoya
Luego, el equipo utilizó un proceso llamado reacción de Scholl para repetir este proceso y sintetizar con éxito una molécula de nanografeno. La reacción procede de manera similar a los anillos de benceno que se cierran con cremallera, con el resto trifenileno actuando como núcleo.
"Una de las partes más difíciles de esta investigación fue obtener evidencia científica para probar las estructuras del derivado del trifenileno y las moléculas de nanografeno, "dice Yoshito Koga, un estudiante de posgrado que realizó principalmente los experimentos. "Dado que nadie en nuestro grupo ha manejado trifenilenos y nanografenos antes, Estaba llevando a cabo la investigación a través de un método de "prueba y error". Estaba extremadamente emocionado cuando vi por primera vez la señal de espectrometría de masas de la molécula deseada para revelar la masa de la molécula a través de MALDI (desorción / ionización láser asistida por matriz), lo que indicó que en realidad habíamos tenido éxito en la fabricación de nanografeno de forma controlada ".
El equipo ya había logrado sintetizar varios derivados de trifenileno, como moléculas que incluyen 10 anillos de benceno, naftaleno (un par de anillos de benceno fusionados), átomos de nitrógeno, y átomos de azufre. Estos derivados de trifenileno sin precedentes podrían potencialmente usarse en células solares.
"El enfoque para crear moléculas funcionales a partir de unidades simples de benceno será aplicable a la síntesis no solo de nanografeno, sino también a varios otros materiales nanocarbonados, "dice Murakami.
"Los nanografenos están destinados a ser útiles como materiales futuros, "dice el profesor Kenichiro Itami, director del Proyecto JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon. "Esperamos que nuestro descubrimiento conduzca a la aceleración de la investigación aplicada y avance en el campo de la ciencia del nanografeno".
