Nanographenes estão atraindo amplo interesse de muitos pesquisadores como um candidato poderoso para a próxima geração de materiais de carbono devido às suas propriedades elétricas únicas. Cientistas da Universidade de Nagoya desenvolveram agora uma maneira rápida de formar nanographenes de maneira controlada. Este método simples e poderoso para a síntese de nanógrafos pode ajudar a gerar uma variedade de novos materiais optoeletrônicos, como telas eletroluminescentes orgânicas e células solares.

Um grupo de químicos do Projeto de Nanocarbono Molecular JST-ERATO Itami e do Instituto de Biomoléculas Transformativas (ITbM) da Universidade de Nagoya, e seus colegas desenvolveram um método simples e poderoso para sintetizar nanographenes. Esta nova abordagem, descrito recentemente no jornal Ciência , espera-se que leve a um progresso significativo na síntese orgânica, ciência dos materiais e química catalítica.

Nanographenes, tiras unidimensionais de grafeno com largura nanométrica, são moléculas compostas por unidades de benzeno. Nanographenes estão atraindo interesse como um candidato poderoso para materiais de próxima geração, incluindo materiais optoeletrônicos, devido às suas características elétricas únicas. Essas propriedades dos nanografenos dependem principalmente de sua largura, comprimento e estruturas de borda. Assim, métodos eficientes para acessar nanographenes estruturalmente controlados é altamente desejável.

A síntese ideal de nanographenes seria um conjunto de unidades de benzeno do tipo 'LEGO' para definir o número exato e a forma da molécula. Contudo, esta abordagem direta não é possível atualmente. A equipe desenvolveu um método alternativo que é simples e controla a estrutura do nanógrafo em três etapas principais.

Primeiro, derivados de benzeno simples são montados linearmente, através de uma reação de acoplamento cruzado. Então, essas cadeias de benzeno são conectadas umas às outras por um catalisador de paládio que leva a uma molécula com três anéis de benzeno unidos em um plano, forma de triângulo. Este processo se repete em toda a cadeia, efetivamente fechando os anéis juntos.

A inovação desenvolvida pela equipe foi uma nova maneira de atingir a etapa intermediária que forma a unidade em forma de triângulo de três anéis que forma o núcleo para futuras reações para gerar a molécula de nanografene. Uma técnica clássica para conectar unidades de benzeno usa haletos de arila como reagentes de reação. Halogenetos de aril são compostos aromáticos em que um ou mais átomos de hidrogênio ligados a um anel aromático são substituídos por átomos de halogênio, como flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br), ou iodo (I). Isso permite que o benzeno se conecte em um único ponto por meio de um processo chamado dimerização, que foi descoberto por Fritz Ullmann e Jean Bielecki em 1901. No entanto, a reação de Ullmann não gera nanografenos ao usar o composto fenileno como material de partida.

A equipe descobriu que o uso de um catalisador de paládio permitiu conexões entre unidades de benzeno em dois pontos, fornecendo a estrutura semelhante a um triângulo de três anéis de benzeno. Uma porção de trifenileno é formada no centro de cada grupo de anéis.

"Esta descoberta foi bastante acidental, "diz o Professor Associado Designado Kei Murakami, um químico da Universidade de Nagoya e um dos líderes deste estudo. "Achamos que essa reação é a chave dessa nova abordagem para a síntese de nanografeno."

A equipe então utilizou um processo chamado reação de Scholl para repetir esse processo e sintetizar com sucesso uma molécula de nanografene. A reação prossegue de maneira semelhante aos anéis de benzeno sendo compactados, com a porção trifenileno atuando como o núcleo.

“Uma das partes mais difíceis desta pesquisa foi obter evidências científicas para comprovar as estruturas do derivado do trifenileno e das moléculas de nanografeno, "diz Yoshito Koga, um estudante de graduação que conduziu principalmente os experimentos. "Uma vez que ninguém em nosso grupo jamais manipulou trifenilenos e nanografenos antes, Eu estava conduzindo a pesquisa por meio de 'tentativa e erro'. Fiquei extremamente animado quando vi pela primeira vez o sinal de espectrometria de massa da molécula desejada para revelar a massa da molécula por meio de MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization), o que indicou que havíamos realmente obtido sucesso em fazer nanografeno de uma forma controlada. "

A equipe já havia conseguido sintetizar vários derivados de trifenileno, tais como moléculas, incluindo 10 anéis de benzeno, naftaleno (um par fundido de anéis de benzeno), átomos de nitrogênio, e átomos de enxofre. Esses derivados de trifenileno sem precedentes poderiam ser usados ​​em células solares.

"A abordagem para a criação de moléculas funcionais a partir de unidades simples de benzeno será aplicável à síntese não apenas de nanografeno, mas também para vários outros materiais de nanocarbono, "diz Murakami.

"Os nanographenes serão úteis como materiais futuros, "diz o professor Kenichiro Itami, Diretor do Projeto de Nanocarbono Molecular JST-ERATO Itami. "Esperamos que nossa descoberta leve à aceleração da pesquisa aplicada e avance o campo da ciência do nanógrafo."