[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

アルキンメタセシスで誕生!HPB to γ-グラフィン!

[スポンサーリンク]

本論文に関して不正が発覚し、取り下げとなりましたのでご注意ください(2024年9月追記)。

アルキンメタセシスを用いて広範囲に規則性をもったγグラフィンの合成が初めて達成された。2種類のモノマーを用いてアルキンメタセシスの平衡を制御したことが本合成の鍵である。

アルキンメタセシスによるγ-グラフィンの合成

グラフェンは、sp2炭素のハニカム構造からなる二次元シート状の炭素同素体であり、軽くて強靭かつ高い伝導性をもつ二次元マテリアルである。1987年Baughmanらにより、グラフェンとは異なる炭素同素体として、sp炭素とsp2炭素からなる炭素シートがグラフィンと命名された[1]。グラフィンは炭素の配置によってα-グラフィン、β-グラフィン、γ-グラフィンなどいくつかの種類がある(図1A)[2]。これらグラフィン類は、計算化学によりグラフェンと同様に軽量で引っ張りに強いと予測されている。一方で、グラフェンとは異なり、角度に依存した異方的な伝導度やバンドギャップが存在することが予測されており、次世代材料として期待されている[3, 4]

そのため、グラフィン類の合成はこれまでも試みられており、γ-グラフィンはメカノケミストリーやソノケミストリー(超音波を用いた合成)による合成が数例報告されている[5–7]。これらの報告ではベンゼンまたはヘキサブロモベンゼンと炭化カルシウムのカップリング反応を利用している(図1B)。しかし、これらのカップリング反応は不可逆反応であり、アモルファス状のγ-グラフィンが得られるという課題があった。そこで著者らは、アルキンメタセシスの可逆性を利用すれば、アモルファス化を防ぎ、結晶性のγ-グラフィンが合成できると考えた。

実際、著者らは2種のモノマー(HPB: ヘキサプロピニルベンゼン, HHEB: ヘキサキス[2-(4-ヘキシルフェニル)エチル]ベンゼン)を用いたアルキンメタセシスにより平衡を巧みに制御することで広範囲に規則性をもつγ-グラフィンの合成を達成した(図1C)。今回の合成により、γ-グラフィンの積層構造が初めて明らかになった。

図1. (A)グラフィン類の名称と構造 (B) これまでのγ-グラフィン合成 (C) アルキンメタセシスを用いたγ-グラフィン合成

 

Synthesis of γ-Graphyne Using Dynamic Covalent Chemistry

Hu, Y.; Wu, C.; Pan, Q.; Jin, Y.; Lyu, R.; Martinez, V.; Huang, S.; Wu, J.; Wayment, L. J.; Clark, N. A.; Raschke, M. B.; Zhao, Y.; Zhang, W. Nat. Synth. 2022.

DOI: 10.1038/s44160-022-00068-7

論文著者の紹介

研究者 : Wei Zhang (张 伟)

研究者の経歴:

1996–2000 B.S. Peking University, China
2001–2005 Ph.D. University of Illinois Urbana-Champaign, USA (Prof. Jeffrey S. Moore)
2006–2008 Postdoctoral Fellow, Massachusetts Institute of Technology, USA (Prof. Timothy M. Swager)
2008–2014 Assistant Professor, University of Colorado-Boulder, USA
2014–2018 Associate Professor, University of Colorado-Boulder, USA
2018– Professor and Associate Chair, University of Colorado-Boulder, USA

研究内容:動的共有結合化学による2次元および3次元分子の構築、自己修復材料

研究者 : Yingjie Zhao (赵 英杰)

研究者の経歴:

2001–2008 B.S. and M.S. Shandong Normal University, China
2008–2011 Ph.D. Chinese Academy of Sciences, China (Prof. Yuliang Li)
2011–2015 Postdoctoral Fellow, University of Geneva, Switzerland (Prof. Stefan Matile)
2015–2016 Postdoctoral Fellow, ETH Zürich, Switzerland (Prof. A. Dieter Schlüter)
2016– Professor, Qingdao University, China

研究内容:動的共有結合化学による2次元および3次元分子の構築、超分子化学

論文の概要

著者らはアルキンメタセシスを制御するため、重合を促進させるHPB(1)と解重合を促進させるHHEB(2)をモノマーとして選択した。HPB(1)は末端にメチル基をもちアルキンメタセシスにより2-ブチン(3)を副生する。副生した3を減圧により除去することで平衡がγ-グラフィン生成に偏り、重合を促進する。一方で、HHEB(2)から生じる副生成物45は減圧下でも揮発しにくいため、生じた45は再度アルキンメタセシスによって解重合をおこし、アルキンメタセシスで生じたエラーを修正する。さらに、2の末端アルキル鎖は重合途中のγ-グラフィンの溶解性を向上させ、アルキンメタセシスの進行を円滑にする。2を添加しない場合アモルファス化した生成物が得られ、逆に過剰に加えると3の減圧除去による重合の促進が不十分となり、短いオリゴマーしか得られない。条件検討の結果、モリブデン触媒存在下、混合比9:1の12から、収率72%でγ-グラフィンが得られた(図2A)。つまり、適度な2の添加(10%)により、アルキンメタセシスの平衡が制御できた。得られたγ-グラフィンは250 °Cでも構造が壊れることはなく、有機溶媒(ジクロロメタンやアセトンなど)や水、塩酸、水酸化ナトリウムに対しても安定であった。

次に、得られたγ-グラフィンの大きさと積層構造を調査した。光学顕微鏡観察からµm四方の薄膜が確認された(図2B)。原子間力顕微鏡(AFM)による解析の結果、約10 nmの段差が膜表面に見られた。これは約30層のグラフィンが重なっていることを表している(図2B)。二次元材料において、積層構造は膜内の構造と同等に材料の性質に大きく寄与するため興味がもたれる。合成したγ-グラフィンの積層構造の解明には、広角X線散乱(WAXS)を用いた。グラフィンの積層モデルとして3種類の積層構造(AA, AB, ABC積層)が考えられる。これらの積層モデルの回折角(2θ)の予測値と実測した回折角の比較により、γ-グラフィンはABC積層構造であることが明らかとなった(図2C)。

また、γ-グラフィンの電気特性についても調査を行った。サイクリックボルタンメトリーでバンドギャップを測定したところ、0.93 eVであった。これは、γ-グラフィンがバンド構造をもつ半導体であることを示している。一般的に共役系が長くなると、π電子の非局在化によりバンドギャップが小さくなる。メカノケミカル法で合成したγ-グラフィンのバンドギャップは2.7 eVであり、アルキンメタセシスで合成したγ-グラフィンと比較して約3倍大きな値である。つまり、合成したγ-グラフィンは既報で得られたものより共役系が長いと考えられるため、より大面積であると著者らは結論づけた。その他の解析については論文を参照されたい。

図2. (A) γ-グラフィンの合成 (B) γ-グラフィンの光学顕微鏡図およびAFM画像 (C) WAXSによる積層構造の決定 (図2B, Cは論文より転載)

 

以上、アルキンメタセシスを用いて広範囲に秩序構造をもつγ-グラフィンが合成された。本研究によって既報のγ-グラフィン合成では解明されていなかった積層構造を明らかにできた。またアルキンメタセシスを用いて二次元マテリアルを合成した初めての例であるため、本研究を基盤としてまだ合成が達成されていないグラフィンファミリーが合成される日も遠くないだろう。

 

参考文献

  1. Baughman, R. H.; Eckhardt, H.; Kertesz, M. Structure‐property Predictions for New Planar Forms of Carbon: Layered Phases Containing sp2 and sp Atoms. J. Chem. Phys. 1987, 87, 6687–6699. DOI: 1063/1.453405
  2. He, T.; Kong, Y.; Puente Santiago, A. R.; Ahsan, M. A.; Pan, H.; Du, A. Graphynes as Emerging 2D-Platforms for Electronic and Energy Applications: A Computational Perspective. Mater. Chem. Front. 2021, 5, 6392–6412. DOI: 1039/D1QM00595B
  3. Malko, D.; Neiss, C.; Viñes, F.; Görling, A. Competition for Graphene: Graphynes with Direction-Dependent Dirac Cones. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 086804. DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.086804
  4. Kang, J.; Li, J.; Wu, F.; Li, S.-S.; Xia, J.-B. Elastic, Electronic, and Optical Properties of Two-Dimensional Graphyne Sheet. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 20466–20470. DOI: 1021/jp206751m
  5. Li, Q.; Li, Y.; Chen, Y.; Wu, L.; Yang, C.; Cui, X. Synthesis of γ-Graphyne by Mechanochemistry and Its Electronic Structure. Carbon 2018, 136, 248–254. DOI: 1016/j.carbon.2018.04.081
  6. Li, Q.; Yang, C.; Wu, L.; Wang, H.; Cui, X. Converting Benzene into γ-Graphyne and Its Enhanced Electrochemical Oxygen Evolution Performance. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 5981–5990. DOI: 10.1039/C8TA10317H
  7. Ding, W.; Sun, M.; Zhang, Z.; Lin, X.; Gao, B. Ultrasound-Promoted Synthesis of γ-Graphyne for Supercapacitor and Photoelectrochemical Applications. Ultrasonics Sonochemistry 2020, 61, 104850. DOI: 1016/j.ultsonch.2019.104850

 

Avatar photo

山口 研究室

投稿者の記事一覧

早稲田大学山口研究室の抄録会からピックアップした研究紹介記事。

関連記事

  1. 文具に凝るといふことを化学者もしてみむとてするなり⑯:骨伝導ヘッ…
  2. 結晶作りの2人の巨匠
  3. 「イカ」 と合成高分子の複合により耐破壊性ハイドロゲルを開発!
  4. 聖なる牛の尿から金を発見!(?)
  5. 有機強相関電子材料の可逆的な絶縁体-金属転移の誘起に成功
  6. アミロイド認識で活性を示す光触媒の開発:アルツハイマー病の新しい…
  7. 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会(M&BE) 新…
  8. 2020年ケムステ人気記事ランキング

注目情報

ピックアップ記事

  1. 松村 保広 Yasuhiro Matsumura
  2. 界面活性剤 / surface-active agent, surfactant
  3. 不活性第一級C–H結合の触媒的官能基化反応
  4. HTML vs PDF ~化学者と電子書籍(ジャーナル)
  5. マイクロ波の技術メリット・事業メリットをお伝えします!/マイクロ波化学(株)11月・12月度ウェビナー
  6. 電子のスピンに基づく新しい「異性体」を提唱―スピン状態を色で見分けられる分子を創製―
  7. 第25回 溶媒の要らない固体中の化学変換 – Len MacGillivray教授
  8. 自分の強みを活かして化学的に新しいことの実現を!【ケムステ×Hey!Labo 糖化学ノックインインタビュー④】
  9. 酸化銅/酸化チタンによる新型コロナウイルスの不活化およびそのメカニズム解明に成功
  10. 調光機能付きコンタクトレンズが登場!光に合わせてレンズの色が変化し、目に入る光の量を自動で調節

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2022年7月
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031

注目情報

最新記事

条件の「前後」も実験条件である【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか3. 反応操作をし…

そのpH、“本当にその場所”の値ですか?ニードル式pHセンサーを使ってみた!

突然ですが、「培養の再現性がなんか悪い」「同じ条件のはずなのに結果がズレる」といった経験はあ…

「骨格編集」×「ナノカーボン合成」〜ナノカーボン合成の新戦略を実証〜

第719回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院工学研究科(忍久保研究室)博士後期課程2年の平…

【書評】立体化学 はじめの一歩

立体化学は,分子の三次元構造を理解するための重要な分野であり,有機化学や…

水のシミュレーション入門 — 水分子を計算機の中でどう”描く”か —

身近なのに、計算機にとって手強い"水"。本記事では、点電荷モデルから機械学習まで、その"描き方"の進…

◆◇◆◇ 第36回フォーラム・イン・ドージン開催のご案内 ◆◇◆◇

同仁化学研究所が熊本から世界へ情報発信するフォーラム・イン・ドージンの開催ご案内です。今年は『な…

『力』による円偏光発光のon/off制御を単一分子レベルで実現

第718回のスポットライトリサーチは、東京科学大学 物質理工学院(相良研究室)博士後期課程2年の野中…

数日かかっていた反応機構解析を、わずか数分に!

機械学習ポテンシャルが変える計算化学の現在近年、DFT計算による反応機構解析は広く行われるよ…

海外ポスドクのオファーをもらう【アメリカで Ph.D. を取る: 進路編】

ポスドクとして海外に留学する場合、希望する研究室の教授に直接連絡を取り、面接などを通して適性を判断さ…

MDで観るトライボロジー 〜原子が擦れるその場をシミュレーション〜

軽くて強いのに摩耗に弱いチタン合金は、航空機や人工関節に広く使われています。原子が擦れ合うその場を分…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP