DE10295944T5 - Process for the derivatization of carbon nanotubes with diazonium species and compositions thereof - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Derivatisieren von Seitenwänden von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, aufweisend:
(a) Wählen einer Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen; und
(b) zur Reaktion Bringen der Mehrzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Diazonium-Spezies.A method of derivatizing sidewalls of carbon nanotubes, comprising:
(a) choosing a plurality of carbon nanotubes; and
(b) reacting the plurality of carbon nanotubes with a diazonium species.
Description
Die vorliegende Erfindung wurde im Zusammenhang mit Forschung entsprechend dem Stipendium Nr. NASA-JSC-NCC 9-77 von der National Aeronautics and Space Administration; dem Stipendium Nr. NSR-DMR-0073046 von der National Science Foundation; und dem Stipendium Nr. N00014-99-1-0406 von der DARPA/ONR gemacht.The present invention was made in Research related to grant No. NASA-JSC-NCC 9-77 by the National Aeronautics and Space Administration; the Grant No. NSR-DMR-0073046 from the National Science Foundation; and scholarship number N00014-99-1-0406 made by DARPA / ONR.
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Genauer betrifft die Erfindung die Derivatisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Diazonium-Verbindungen und Verwendungen für die derivatisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen.The present invention relates to generally carbon nanotubes. More specifically, the invention relates to the derivatization of carbon nanotubes Diazonium compounds and uses for the derivatized carbon nanotubes.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION
Fullerene sind Moleküle in Gestalt geschlossener Käfige, die vollständig aus sp2-hybridisierten Kohlenstoffen, die in Sechsecken und Fünfecken angeordnet sind, bestehen. Fullerene (z.B. C60) wurden zuerst als geschlossene kugelförmige Käfige, die aus verdampftem Kohlenstoff durch Kondensation erzeugt wurden, identifiziert. Fulleren-Röhrchen werden in Kohlenstoff-Abscheidungen an der Kathode bei Kohlenstoff-Bogenverfahren zur Herstellung kugelförmiger Fullerene aus verdampftem Kohlenstoff erzeugt. Ebbesen et al. (Ebbesen I), "Large-Scale Synthesis Of Carbon Nanotubes," Nature, Vol 358, p. 220 (16. Juli 1992) und Ebbesen et al., (Ebbesen II), "Carbon Nanotubes," Annual Review of Materials Science, Vol. 24, p. 235 (1994). Derartige Röhrchen werden hierin als Kohlenstoff-Nanoröhrchen bezeichnet. Viele der durch diese Verfahren hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhrchen waren Mehrwand-Nanoröhrchen, d.h. die Kohlenstoff-Nanoröhrchen ähnelten konzentrischen Zylindern. Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit bis zu sieben Wänden wurden im Stand der Technik beschrieben. Ebbesen II; Iijima et al., "Helical Microtubules Of Graphitic Carbon," Nature, Vol. 354, p. 56 (7. November 1991).Fullerenes are molecules in the form of closed cages, which consist entirely of sp 2 -hybridized carbons, which are arranged in hexagons and pentagons. Fullerenes (eg C 60 ) were first identified as closed spherical cages, which were generated from evaporated carbon by condensation. Fullerene tubes are produced in carbon deposits on the cathode using carbon arc processes to produce spherical fullerenes from evaporated carbon. Ebbesen et al. (Ebbesen I), "Large-Scale Synthesis Of Carbon Nanotubes," Nature, Vol 358, p. 220 (July 16, 1992) and Ebbesen et al., (Ebbesen II), "Carbon Nanotubes," Annual Review of Materials Science, Vol. 24, p. 235 (1994). Such tubes are referred to herein as carbon nanotubes. Many of the carbon nanotubes produced by these processes were multi-wall nanotubes, ie the carbon nanotubes resembled concentric cylinders. Carbon nanotubes with up to seven walls have been described in the prior art. Ebbesen II; Iijima et al., "Helical Microtubules Of Graphitic Carbon," Nature, Vol. 354, p. 56 (November 7, 1991).
Seit 1991 gab es eine ganze Menge Interesse an der Derivatisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, und insbesondere Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen, um ihre Handhabung zu vereinfachen, um die Löslichkeit derartiger Nanoröhrchen zu erhöhen und um die Nanoröhrchen der Verbundbildung zugänglicher zu machen. Das liegt daran, dass Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine der beeindruckenderen Entdeckungen auf dem Gebiet der Chemie und der Materialien in den letzten Jahren sind. Nanoröhrchen besitzen eine enorme Festigkeit, ein extremes Länge-Breite-Verhältnis und sind hervorragende thermische und elektrische Leiter. Eine Überfülle möglicher Anwendungen für Nanoröhrchen wurde vermutet, und es wird ein gewisser Fortschritt in Richtung auf kommerzielle Anwendungen gemacht. Dementsprechend wird für manche Anwendungen eine chemische Modifizierung von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie von Mehrwand-Kohlenstoft-Nanoröhrchen erforderlich sein. Beispielsweise können derartige Anwendungen ein Pfropfen von Komponenten an die Nanoröhrchen erfordern, um ein Anfügen modifizierter Nanoröhrchen wie Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen an Oberflächen für Anwendungen in der Elektronik zu erlauben; um eine Reaktion mit Wirtsmatrices in Verbundmaterialien zu erlauben; und um die Anwesenheit einer Vielfalt funktioneller Gruppen, die an die Nanoröhrchen wie Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebunden sind, für Sensor-Anwendungen zu erlauben.There has been a lot since 1991 Interest in the derivatization of carbon nanotubes, and especially objectionable carbon nanotubes to their handling to simplify the solubility of such nanotubes to increase and around the nanotubes more accessible to the formation of networks close. This is because single-wall carbon nanotubes are one of the more impressive discoveries in chemistry and of materials in recent years. Have nanotubes an enormous strength, an extreme length-width ratio and are excellent thermal and electrical conductors. An abundance of possible Applications for nanotubes was suspected and there will be some progress towards that made for commercial applications. Accordingly, for some Applications include chemical modification of single-wall carbon nanotubes as well of multi-wall carbon nanotubes required his. For example such applications require grafting components onto the nanotubes, to add modified nanotubes like objectionable carbon nanotubes on surfaces for applications to allow in electronics; a reaction with host matrices to allow in composite materials; and the presence of a Variety of functional groups attached to the nanotubes such as single-wall carbon nanotubes are for Allow sensor applications.
Während es viele Berichte und Übersichtsartikel über die Herstellung und die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gab, tauchten Berichte über eine chemische Beeinflussung von Nanoröhrchen langsam auf. Es gab Berichte über ein Funktionalisieren von Nanoröhrchen-Enden mit Carboxylgruppen (Rao, et al., Chem. Commun., 1996, 1525–1526; Wong, et al., Nature, 1998, 394:52–55), und dann über eine weitere Beeinflussung, um sie über Thiol-Bindungen an Goldteilchen zu binden (Liu, et al., Science, 1998, 280:1253–1256). Haddon und Mitarbeiter (Chen, et al., Science, 1998, 282:95–98) haben über ein Solvatisieren von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch Anfügung von Octadecylamin-Gruppen an die Enden der Röhrchen und dann Anfügen von Dichlorcarbenen an die Nanoröhrchen-Seitenwand, wenn auch in relativ niedrigen Mengen (ungefähr 2%), berichtet.While there are many reports and reviews on the Manufacturing and the physical properties of carbon nanotubes, popped up reports of a chemical influence on nanotubes slowly. There was report about functionalizing nanotube ends with carboxyl groups (Rao, et al., Chem. Commun., 1996, 1525-1526; Wong, et al., Nature, 1998, 394: 52-55), and then over another influencing to them via thiol bonds to gold particles to bind (Liu, et al., Science, 1998, 280: 1253-1256). Haddon and coworkers (Chen, et al., Science, 1998, 282: 95-98) have reported solvation of single-wall carbon nanotubes attachment of octadecylamine groups to the ends of the tubes and then attach Dichlorocarbenes on the nanotube side wall, albeit in relatively low amounts (approximately 2%).
Der Erfolg bei der kovalenten Seitenwand-Derivatisierung von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen war von begrenztem Umfang, und die Reaktivität der Seitenwände wurde mit der Reaktivität der Basisfläche von Grafit verglichen. Aihara, J., J. Phys. Chem. 1994, 98, 9773–9776. Ein gangbarer Weg zu direkter Seitenwand-Funktionalisierung von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen war die Fluorierung bei erhöhten Temperaturen, ein Verfahren, das in einer ebenfalls anhängigen Anmeldung, die gemeinsam an den Erwerber der Anmeldung übertragen wurde, offenbart wurde, der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 09/810 390 "Chemical Derivatization Of Single-Wall Carbon Nanotubes To Facilitate Solvation Thereof; And Use Of Derivatized Nanotubes To Form Catalyst-Containing Seed Materials For Use in Making Carbon Fibers," von Margraves et al., eingereicht am 16. März 2001. Diese funktionalisierten Nanoröhrchen können entweder durch Behandlung mit Hydrazin defluoriert werden oder mit starken Nucleophilen wie Alkyllithium-Reagenzien reagieren lassen werden. Obwohl fluorierte Nanoröhrchen durchaus Zugang zu einer Vielfalt funktionalisierter Materialien schaffen mögen, kann das zweischrittige Protokoll und die Unverträglichkeit funktioneller Gruppen gegenüber Organolithium-Verbindungen derartige Verfahren mit bestimmten Endverwendungszwecken der Kohlenstoff-Nanoröhrchen unvereinbar machen. Andere Versuche zur Seitenwand-Modifizierung wurden gestört durch die Anwesenheit signifikanter graphitischer oder amorpher Kohlenstoff-Verunreinigungen. Chen, Y. et al., J. Mater Res. 1998, 13, 2423–2431.Success in covalent sidewall derivatization of single-wall carbon nanotubes has been limited, and the reactivity of the sidewalls has been compared to the reactivity of the graphite base. Aihara, J., J. Phys. Chem. 1994, 98, 9773-9776. A viable route to direct sidewall functionalization of single-wall carbon nanotubes has been fluorination at elevated temperatures, a process that was disclosed in a copending application, commonly assigned to the assignee, of the United States patent application current No. 09/810 390 "Chemical Derivatization Of Single-Wall Carbon Nanotubes To Facilitate Solvation Thereof; And Use Of Derivatized Nanotubes To Form Catalyst-Containing Seed Materials For Use in Making Carbon Fibers," by Margraves et al March 2001. These functionalized nanotubes can either be defluorinated by treatment with hydrazine or reacted with strong nucleophiles such as alkyl lithium reagents become. Although fluorinated nanotubes may provide access to a variety of functionalized materials, the two-step protocol and functional group incompatibility with organolithium compounds can render such processes incompatible with certain end uses of the carbon nanotubes. Other sidewall modification attempts have been disturbed by the presence of significant graphitic or amorphous carbon contaminants. Chen, Y. et al., J. Mater Res. 1998, 13, 2423-2431.
Es wäre daher wünschenswert, einen direkten Weg zu hohen Funktionalisierungsgraden von Nanoröhrchen, der anpassungsfähig ist (d.h. ein einstufiger Weg und einer, der mit bestimmten Endverwendungen der Nanoröhrchen vereinbar ist), zu entwickeln. Zu derartigen Verwendungen gehören Anwendungen zur Nutzung der enormen Festigkeit, der extremen Länge-Breite-Verhältnisse und der hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften der Nanoröhrchen.It would therefore be desirable to have a direct one Path to high levels of functionalization of nanotubes that is adaptable (i.e. a one-step process and one that works with certain end uses of the nanotubes is compatible) to develop. Such uses include applications to use the enormous strength, the extreme length-width ratios and the excellent thermal and electrical conductivity properties of the nanotubes.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Derivatisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, insbesondere der Seitenwände und Endabschlüsse von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen, unter Verwendung von Chemie, die direkt, anpassungsfähig und mit den Endverwendungen und -anwendungen der Nanoröhrchen vereinbar ist, bereitzustellen.Accordingly, it is a job of this invention, a method for derivatizing carbon nanotubes, especially the side walls and end closings of objectionable carbon nanotubes, using chemistry that is direct, adaptable and compatible with the end uses and uses of the nanotubes is to provide.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY THE INVENTION
Die Erfindung betrifft neue Verfahren zur chemischen Modifizierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Derartige Verfahren beinhalten die Derivatisierung von Mehrwand- und Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen, einschließlich Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit kleinem Durchmesser (ca. 0,7 nm), mit Diazonium-Spezies. Das Verfahren erlaubt die chemische Befestigung einer Vielfalt organischer Verbindungen an der Seite und den Enden von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese chemisch modifizierten Nanoröhrchen haben Anwendungen in Polymer-Verbundmaterialien, molekularelektronischen Anwendungen und Sensor-Vorrichtungen. Zu Derivatisierungs-Verfahren gehören elektrochemisch eingeleitete Reaktionen, thermisch eingeleitete Reaktionen (über in-situ-Erzeugung von Diazonium-Verbindungen oder über vorab hergestellte Diazonium-Verbindungen) und fotochemisch eingeleitete Reaktionen. Die Derivatisierung verursacht signifikante Veränderungen der spektroskopischen Eigenschaften der Nanoröhrchen. Der geschätzte Grad der Funktionalität ist ca. 1 aus jeweils 20 bis 30 Kohlenstoffen in einem Nanoröhrchen, der eine Funktionalitäts-Baueinheit trägt.The invention relates to new methods for the chemical modification of carbon nanotubes. such Methods involve the derivatization of multi-wall and single-wall carbon nanotubes, including single-wall carbon nanotubes small diameter (approx. 0.7 nm), with diazonium species. The procedure allows chemical attachment of a variety of organic compounds on the side and ends of carbon nanotubes. This chemically modified nanotubes have applications in polymer composite materials, molecular electronics Applications and sensor devices. On derivatization procedures belong electrochemically initiated reactions, thermally initiated Reactions (via in-situ generation of diazonium compounds or in advance prepared diazonium compounds) and photochemically initiated Reactions. The derivatization causes significant changes the spectroscopic properties of the nanotubes. The estimated degree of functionality is approx. 1 from 20 to 30 carbons each in a nanotube, which is a functional unit wearing.
Zu den elektrochemisch eingeleiteten Verfahren gehören Vorgehensweisen, die eine Anordnung von Nanoröhrchen wie ein Stück "Bucky Paper" oder eine Matte verwenden, das oder die mit einer Krokodilklemme, die mit einer Silberpaste bedeckt ist, gehalten und in eine Acetonitril-Lösung eines Diazoniumsalzes und eines Hilfselektrolytsalzes eingetaucht werden kann, während eine Spannung (typischerweise eine negative Spannung) an der Anordnung von Nanoröhrchen angelegt wird. Mittels eines solchen Verfahrens wurden ein molekularer Draht (wie ein Oligo(phenylen-ethinylen)-Molekulardraht) und auch eine molekularelektronische Vorrichtung kovalent an einem Nanoröhrchen befestigt. Dies stellt die Verehelichung von drahtartigen Nanoröhrchen mit Molekulardrähten und mit molekularelektronischen Vorrichtungen dar.To the electrochemically initiated Procedures include Procedures involving an array of nanotubes such as a piece of "bucky paper" or a mat use that with a crocodile clip, with a Silver paste is covered, held and placed in an acetonitrile solution Diazoniumsalzes and an auxiliary electrolyte salt are immersed can while a voltage (typically a negative voltage) on the array of nanotubes is created. By means of such a procedure, a molecular Wire (like an oligo (phenylene-ethynylene) molecular wire) and also a molecular electronic device covalently attached to a nanotube. This represents the marriage of wire-like nanotubes molecular wires and with molecular electronic devices.
Derartige elektrochemische Verfahren können angepasst werden, um sich auf eine ortsspezifische chemische Funktionalisierung von Nanoröhrchen anwenden zu lassen. Darüber hinaus erlaubt es die kontrollierte Befestigung von zwei oder mehr verschiedenen chemischen Funktionalitäten an verschiedenen Stellen an den Nanoröhrchen.Such electrochemical processes can be adapted to focus on site-specific chemical functionalization of nanotubes to be applied. About that it also allows the controlled attachment of two or more different chemical functionalities in different places the nanotubes.
Zu den thermisch eingeleiteten Verfahren gehören Vorgehensweisen, bei denen eine Dispersion von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einem organischen Lösungsmittelgemisch mit einem Vorläufer einer reaktiven Diazonium-Spezies behandelt wird. Dieser Vorläufer wird dann in-situ in die reaktive Spezies umgewandelt, und ihre thermische Zersetzung führt zu chemischer Befestigung an den Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Man glaubt, dass ein derartiges Verfahren den Vorteil der maßstäblichen Anpassbarkeit hat und die Notwendigkeit, möglicherweise instabile Diazonium-Verbindungen, d.h. die Spezies, die mit dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen reagiert, zu isolieren und zu lagern, vermeidet.On the thermally initiated processes belong Procedures in which a dispersion of carbon nanotubes in an organic solvent mixture with a precursor a reactive diazonium species is treated. This precursor will then converted in-situ to the reactive species, and their thermal Decomposition leads for chemical attachment to the carbon nanotubes. It is believed that such a process has the advantage of being to scale Adaptability and the need for potentially unstable diazonium compounds, i.e. isolate the species that reacts with the carbon nanotube and store, avoid.
Darüber hinaus gehören zu den thermisch eingeleiteten Verfahren auch Vorgehensweisen, die vorab hergestellte Diazonium-Spezies verwenden. Die reaktive Spezies kann vorab hergestellt, isoliert und zu dem Gemisch zugegeben werden. Zu zusätzlichen Abwandlungen gehören Abwandlungen der Temperatur des Verfahrens (Umgebungstemperatur und höhere und niedrigere Temperaturen), des Verhältnisses der Reaktanten, und eine Vielfalt organischer Lösungsmittel.They also include Thermally initiated processes also include procedures that are pre-manufactured Use diazonium species. The reactive species can be prepared in advance, isolated and added to the mixture. To additional ones Variations belong Variations in the temperature of the process (ambient temperature and higher and lower temperatures), the ratio of the reactants, and a variety of organic solvents.
Die fotochemisch eingeleiteten Verfahren sind ähnlich der thermisch eingeleiteten Reaktion mit der Ausnahme, dass ein fotochemisches Verfahren (nicht ein thermisches Verfahren) verwendet wird, um die Zersetzung der Diazonium-Spezies, die zu der chemischen Befestigung der Baueinheiten an den Kohlenstoff-Nanoröhrchen führt, zu verursachen.The photochemically initiated process are similar the thermally initiated reaction with the exception that a photochemical process (not a thermal process) used will help the decomposition of the diazonium species leading to chemical attachment of the structural units on the carbon nanotubes.
Wenn sie mit geeigneten chemischen Gruppen modifiziert sind, sind die Nanoröhrchen chemisch mit einer Polymermatrix verträglich, was eine Übertragung der Eigenschaften der Nanoröhrchen (wie mechanische Festigkeit) auf die Eigenschaften des Verbundmaterials insgesamt erlaubt. Um dies zu erreichen, können die modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit dem polymeren Material sorgfältig gemischt (physikalisch vermischt) werden und/oder, wenn gewünscht, bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur reagieren lassen werden. Diese Verfahren können verwendet werden, um an den Nanoröhrchen Funktionalitäten anzubringen, die weiter kovalent an die Wirts-Polymermatrix binden oder direkt zwischen zwei Röhrchen selbst binden.If modified with suitable chemical groups, the nanotubes are chemically compatible with a polymer matrix, which allows the properties of the nanotubes (such as mechanical strength) to be transferred to the properties of the composite material as a whole. To achieve this, you can the modified carbon nanotubes are carefully mixed (physically mixed) with the polymeric material and / or, if desired, are allowed to react at ambient temperature or elevated temperature. These methods can be used to attach functionalities to the nanotubes that continue to covalently bind to the host polymer matrix or to bind directly between two tubes themselves.
Es gibt eine Vielzahl von Abwandlungen in der chemischen Struktur der Polymermatrix, d.h. Polyethylen, verschiedene Epoxyharze, Polypropylen, Polycarbonat, etc. Im Allgemeinen könnten mögliche Verbundmaterialien mit chemisch modifizierten Nanoröhrchen und Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren und anderen hergestellt werden. Es ist auch eine Unzahl von Abwandlungen bei den chemischen Gruppen, die an den Nanoröhrchen befestigt werden können, möglich. Die spezielle Gruppe wird ausgewählt werden, um die Verträglichkeit mit der bestimmten gewünschten Polymermatrix zu erhöhen und gewünschtenfalls eine chemische Bindung an das Wirtsmaterial zu bewirken.There are a number of variations in the chemical structure of the polymer matrix, i.e. polyethylene, various epoxy resins, polypropylene, polycarbonate, etc. in general could possible Composite materials with chemically modified nanotubes and Thermoplastics, thermosets, elastomers and other manufactured become. There is also a myriad of chemical variations Groups working on the nanotubes can be attached possible. The special group is selected to be tolerability with the particular one you want Increase polymer matrix and if desired to cause a chemical bond to the host material.
Darüber hinaus können die Nanoröhrchen, wenn sie mit geeigneten chemischen Gruppen modifiziert sind, als Erzeuger von Polymerwachstum verwendet werden. Das heißt, die Nanoröhrchen würden mit einer funktionellen Gruppe, die ein aktiver Teil eines Polymerisationsverfahrens sein könnte, derivatisiert werden, was auch zu einem Verbundmaterial, an dem die Kohlenstoff-Nanoröhrchen chemisch beteiligt sind, führen würde.In addition, the nanotubes, if modified with suitable chemical groups, as Producers of polymer growth can be used. That is, the nanotubes would with a functional group that is an active part of a polymerization process could be, be derivatized, which also results in a composite material on which the carbon nanotubes would be involved chemically.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS
BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION ILLUSTRATIVE EMBODIMENTS
Elektrochemische Derivatisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Diazonium-Spezieselectrochemical Derivatization of carbon nanotubes with diazonium species
Von Aryl-diazonium-Salzen ist bekannt, dass sie mit Elektronenmangel-Olefinen reagieren, was als die Meerwein-Reaktion bekannt ist. Obushak, M.D., et al., Tett. Lett. 1998, 39, 9567–9570. Bei derartigen Reaktionen in gelöster Phase wird die Diazoniumsalz-Zersetzung typischerweise von einem Metallsalz wie Kupfer(I)-Chlorid katalysiert, was ein reaktives Aryl-Radikal ergibt. In manchen Fällen geht man davon aus, dass die Reaktion über ein Aryl-Kation stattfindet. Dieser Typ von Chemie wurde auf die Modifizierung von Kohlen stoff-Oberflächen durch Pfropfen von elektrochemisch reduzierten Aryl-diazonium-Salzen erfolgreich angewendet. Delamar, M., et al., Carbon 1997, 35, 801–807; Allongue, P., et al., J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 201–207; Ortiz, B. et al., J. Electro. Chem. 1998, 455, 75–81; Saby, C., et al., Langmuir 1997, 13, 6805–6813; Delamar, M., et al., J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 5883–5884. Die Reduktion kann ein Aryl-Radikal ergeben, das kovalent an die Kohlenstoffoberfläche bindet. Diese Technik wurde sowohl auf Elektroden aus hochgeordnetem pyrolytischem Grafit (HOPG, highly ordered pyrolitic graphite) als auch auf Elektroden aus Glaskohlenstoff (GC, glassy carbon) angewendet.Aryl diazonium salts are known to that they're dealing with electron deficiency olefins react to what is known as the Meerwein reaction. Obushak, M.D., et al., Tett. Lett. 1998, 39, 9567-9570. With such reactions in dissolved The diazonium salt decomposition is typically of one phase Metal salt such as copper (I) chloride catalyzes what is a reactive Aryl radical results. In some cases it is assumed that the Reaction about an aryl cation takes place. This type of chemistry was developed on the Modification of carbon surfaces by grafting electrochemically reduced aryl diazonium salts successfully applied. Delamar, M., et al., Carbon 1997, 35, 801-807; Allongue, P., et al., J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 201-207; Ortiz, B. et al., J. Electro. Chem. 1998, 455, 75-81; Saby, C., et al., Langmuir 1997, 13, 6805-6813; Delamar, M., et al., J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 5883-5884. The reduction can be a Aryl radical result that covalently binds to the carbon surface. This technique was based on both highly ordered pyrolytic electrodes Graphite (HOPG, highly ordered pyrolitic graphite) as well as on electrodes made of glassy carbon (GC, glassy carbon).
Methylenchlorid und Acetonitril wurden über Calciumhydrid abdestilliert. Dimethylformamid wurde destilliert und über Molekularsieben gelagert. Tetrahydrofuran wurde über Natrium/Benzophenon-Ketyl abdestilliert. Alle anderen Reagenzien wurden im Handel erhalten und ohne weitere Reinigung verwendet.Methylene chloride and acetonitrile were added over calcium hydride distilled off. Dimethylformamide was distilled and over molecular sieves stored. Tetrahydrofuran was over Distilled sodium / benzophenone ketyl. All other reagents were obtained commercially and used without further purification.
Kohlenstoff-NanoröhrchenCarbon nanotubes
Ein Verfahren zur Herstellung von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit kleinem Durchmesser (ca. 0,7 nm) wurde entwickelt von Smalley, et al., Nikolaev, P., et al., Chem. Phys. Lett. 1999, 313, 91–97. Dieses Verfahren ist offenbart in einer ebenfalls anhängigen Anmeldung, die gemeinsam auf den Erwerber der Anmeldung übertragen wurde, der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 09/830 642 "Gas-Phase Nucleation and Growth of Single-Wall Carbon Nanotubes from High Pressure CO," von Smalley et al., eingereicht am 27. April 2001, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Dieses Material ist nun im Handel erhältlich (Carbon Nanotechnologies Inc., Material HiPco). Da der Durchmesser dieser Nanoröhrchen näherungsweise derselbe ist wie der von C60, versteht es sich, dass diese Nanoröhrchen relativ zu den Röhrchen mit größerem Durchmesser, die typischerweise durch Laserofen-Verfahren hergestellt werden, eine erhöhte Reaktivität zeigen, da die Reaktivität von C60 teilweise der Biegespannung zugeschrieben wurde. Während die vorliegende Erfindung auch für Mehrwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit größerem Durchmesser passend ist, wurden in den Beispielen, die das vorliegende Verfahren veranschaulichen, in erster Linie Nanoröhrchen mit kleinem Durchmesser verwendet. Eine Vielfalt von Diazonium-Salzen wurde verwendet einschließlich denen, die Baueinheiten liefern, die nach Bindung an die Nanoröhrchen zu weiterer Entwicklung führen. Auch eine Oligo(phenylen-ethinylen)-Molekülvorrichtung ähnlich derjenigen, von der gezeigt wurde, dass sie ein Gedächtnis und einen negativen Widerstand bei Raumtemperatur besitzt (Chen, J. et al., App. Phys. Lett. 2000, 77, 1224–1226), wurde an den Nanoröhrchen befestigt.A method of making small diameter (about 0.7 nm) single wall carbon nanotubes was developed by Smalley, et al., Nikolaev, P., et al., Chem. Phys. Lett. 1999, 313, 91-97. This process is disclosed in a co-pending application, commonly assigned to the assignee of the application, U.S. Patent Application Serial No. 09/830,642 "Gas-Phase Nucleation and Growth of Single-Wall Carbon Nanotubes from High Pressure CO , "by Smalley et al., filed April 27, 2001, which is incorporated herein by reference. This material is now commercially available (Carbon Nanotechnologies Inc., Material HiPco). Since the diameter of these nanotubes is approximately the same as that of C 60 , it should be understood that these nanotubes show increased reactivity relative to the larger diameter tubes typically produced by laser furnace processes, since the reactivity of C 60 is partial the bending stress was attributed. While the present invention is also suitable for multi-wall carbon nanotubes and larger diameter single-wall carbon nanotubes, the examples illustrating the present method have primarily used small diameter nanotubes. A variety of diazonium salts have been used, including those that provide building blocks that, upon binding to the nanotubes, lead to further development. Also, an oligo (phenylene-ethynylene) molecular device similar to that which has been shown to have memory and negative resistance at room temperature (Chen, J. et al., App. Phys. Lett. 2000, 77, 1224- 1226), was attached to the nanotubes.
Die folgenden Beispiele wie auch die anderen hierin beschriebenen Beispiele werden vorgelegt, um die Erfindung weiter zu veranschaulichen, und sind nicht als den Umfang dieser Erfindung unangemessen begrenzend auszulegen.The following examples as well the other examples described herein are presented to illustrate the The invention is further illustrated and is not to be considered the scope inappropriately limiting this invention.
A. Beispiele Nr. 1–11A. Examples Nos. 1-11
Für die elektrochemischen Derivatisierungs-Experimente wurde ein Stück Bucky Paper, hergestellt durch Filtration einer Suspension, als die Arbeitselektrode in einer Drei-Elektroden-Zelle verwendet und in eine Acetonitrit-Lösung, die das Diazonium-Salz und einen Elektrolyten enthielt, eingetaucht. Die Diazonium-Salze wurden wahrscheinlich an der Oberfläche des Bucky Papers zu Aryl-Radikalen reduziert und wurden danach kovalent an die Nanoröhrchen gebunden. Die Leitfähigkeit von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurde gut dokumentiert. Im Allgemeinen werden Aryl-diazonium-Salze leicht unter Bedingungen, die eine Vielfalt funktioneller Gruppen tolerieren, hergestellt. Folglich erlaubt das hierin beschriebene Verfahren die Funktionalisierung von Nanoröhrchen mit einer breiten Vielfalt von Diazonium-Salzen einschließlich denen, die eine chemische Handhabe für eine weitere Entwicklung nach der Bindung an Nanoröhrchen liefern.For the electrochemical derivatization experiments, a piece of bucky paper made by filtering a suspension was used as the working electrode in a three-electrode cell and immersed in an acetonitrite solution containing the diazonium salt and an electrolyte. The diazonium salts were probably reduced to aryl radicals on the surface of the bucky paper and were subsequently covalently bound to the nanotubes. The conductivity of single-wall carbon nanotubes became good documented. In general, aryl diazonium salts are easily prepared under conditions that tolerate a variety of functional groups. Thus, the method described herein allows the functionalization of nanotubes with a wide variety of diazonium salts, including those that provide a chemical handle for further development after binding to nanotubes.
Die bei dieser Untersuchung verwendeten
gereinigten Einwand-Nanoröhrchen
(purified single-wall nanotubes, hierin im Folgenden SWNT-p) enthielten
wenig Verunreinigungen aus amorphem oder anderem Fremd-Kohlenstoff.
Die Reinigungstechnik für
die Nanoröhrchen
wird unten detaillierter diskutiert. Die Tatsache, dass die SWNT-p
wenig Verunreinigungen aus amorphem oder anderem Fremd-Kohlenstoff
enthielten, ist erheblich, da die Anwesenheit von derartigem Material
die Möglichkeit,
zu bestimmen, ob frühere
Derivatisierungs-Bemühungen
erfolgreich waren, behindert haben kann. (Während das Fehlen von Verunreinigungen bei
den anfänglichen,
die Durchführbarkeit
der Reaktionen betreffenden Demonstrationen ein Thema war, sollte
beachtet werden, dass diese Reaktionen mit rohen, ungereinigten
Mehrwand- und Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen funktionieren, d.h.
die Reaktionen funktionieren sogar in Abwesenheit eines Reinigungsverfahrens.)
Außerdem
war der Gehalt an Resteisen (Katalysator aus der Gasphasen-Wachstumstechnik)
mittels Elektronenmikrosonden-Analyse (EMPA, electron microprobe
analysis) kleiner als 1 Atom-% (ca. 0,3 Atom-%). Die zur Derivatisierung
von SWNT-p verwendeten Diazonium-Salze sind in
Die in dieser Untersuchung verwendeten Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit kleinem Durchmesser wurden mittels katalytischer Gasphasen-Technik hergestellt, wobei Kohlenmonoxid als das Einsatzmaterial und Eisencarbonyl als der Katalysator verwendet wurden. Nikolaev, P., et al., Chem. Phys. Lett. 1999, 313, 91–97; US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 09/830 642. (Diese Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind nun im Handel erhältlich; Carbon Nanotechnologies Inc., Material HiPco). Das Rohproduktmaterial wurde gereinigt durch Luftoxidation bei 150°C für eine Dauer von 12 h, gefolgt von Wärmebehandlung in Argon bei 800°C für 6 h. Dieses Material wurde in konzentrierter Chlorwasserstoffsäure (ca. 30 mg in 60 ml) beschallt, filtriert, ausführlich mit Wasser und 2-Propanol gewaschen und unter Vakuum getrocknet. Die Reinheit dieser Proben wurde durch SEM, TEM und EMPA geprüft.The used in this investigation Single-wall carbon nanotubes with a small diameter were made using catalytic gas phase technology made using carbon monoxide as the feed and iron carbonyl when the catalyst was used. Nikolaev, P., et al., Chem. Phys. Lett. 1999, 313, 91-97; U.S. Patent Application Serial No. 09/830,642. (These are carbon nanotubes now commercially available; Carbon Nanotechnologies Inc., material HiPco). The raw product material was cleaned followed by air oxidation at 150 ° C for 12 h of heat treatment in argon at 800 ° C for 6 h. This material was concentrated in hydrochloric acid (approx. 30 mg in 60 ml) sonicated, filtered, extensively with water and 2-propanol washed and dried under vacuum. The purity of these samples has been audited by SEM, TEM and EMPA.
Bucky PaperBucky paper
Die Verwendung von Bucky Paper als eine Arbeitselektrode für die Derivatisierung wirft mehrere ungewöhnliche Probleme auf. Der elektrische Kontakt zwischen der Quelle und dem Bucky Paper während des elektrochemischen Verfahrens ist ein Problem. Diese Situation kann durch Aufbringen einer Paste aus kolloidalem Silber auf die zum Halten des Bucky Papers verwendete Krokodilklemme verbessert werden. Man geht auch davon aus, dass der Erfolg der Reaktion zumindest teilweise von der Qualität des als die Arbeitselektrode verwendeten Bucky Papers abhängt. Dementsprechend war es hilfreich, eine Suspension zu erzielen, die vor der Filtration zur Herstellung des Bucky Papers wenig oder kein sichtbares teilchenförmiges Material enthielt. (Anmerkung des Übersetzers: "Bucky Paper" sind freitragende Filme aus zusammengelagerten Nanoröhrchen.)The use of Bucky Paper as a working electrode for derivatization poses several unusual problems. The electric one Contact between the source and the Bucky Paper during electrochemical Procedure is a problem. This situation can be brought up a paste of colloidal silver to hold the bucky Papers used alligator clip can be improved. You go too assume that the success of the response is at least partially dependent on of quality of the bucky paper used as the working electrode. Accordingly it was helpful to get a suspension before the filtration little or no visible particulate material for making the bucky paper contained. (Translator's note: "Bucky Paper" are unsupported Films from assembled nanotubes.)
Allgemeines Verfahren zur Diazotierung von Anilin-DerivatenGeneral procedure for the diazotization of aniline derivatives
Eine Menge von Nirosonium-Tetrafluorborat (1,2 Moläquivalente) wurde in einer Glovebox abgewogen und verschlossen. Nach dem Entfernen aus der Glovebox wurde Acetonitril zugegeben (3 ml/mMol Anilin), und die Lösung wurde auf –30°C abgekühlt. Eine Lösung des Anilin-Derivats (1 Moläquivalent) in Acetonitril (ca. 1 ml/mMol) wurde unter Rühren tropfenweise zugegeben (siehe unten). In manchen Fällen wurde trockenes Methylenchlorid als ein Cosolvens für das Anilin-Derivat verwendet. Nach Beendigung der Zugabe wurde das Rühren 30 min lang fortgesetzt, wobei zu der Zeit das Kältebad entfernt wurde. Nach Rühren für insgesamt 1 h wurde die Lösung mit einem zweifachen Volumen an Ether verdünnt und gerührt. Der Niederschlag wurde durch Filtration gesammelt und mit Ether gewaschen.A lot of nirosonium tetrafluoroborate (1.2 mole equivalents) was weighed in a glove box and sealed. After removal acetonitrile (3 ml / mmol aniline) was added from the glove box, and the solution was cooled to -30 ° C. A solution of the aniline derivative (1 mole equivalent) in acetonitrile (approx. 1 ml / mmol) was added dropwise with stirring (see below). In some cases became dry methylene chloride as a cosolvent for the aniline derivative used. After the addition was completed, stirring became 30 continued for min, at which time the cold bath was removed. To stir for a total of The solution became 1 h diluted with a double volume of ether and stirred. The precipitation was through Filtration collected and washed with ether.
4-Brombenzoldiazonium-tetrafluoroborat (1). Ausbeute: 85%. Schmp. 138°C. 1H NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8,22 (ABq, J = 9,1 Hz, Δv = 102,1 Hz, 4 N).4-bromobenzene diazonium tetrafluoroborate (1). Yield: 85%. Mp 138 ° C. 1 H NMR (400 MHz, CD 3 CN) δ 8.22 (ABq, J = 9.1 Hz, Δv = 102.1 Hz, 4 N).
4-Chlorbenzoldiazonium-tetrafluoroborat (2). Ausbeute: 78%. Schmp. 134°C. 1H NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8,24 (ABq, J = 9,2 Hz, Δv = 214,2 Hz, 4 H).4-chlorobenzenediazonium tetrafluoroborate (2). Yield: 78%. Mp 134 ° C. 1 H NMR (400 MHz, CD 3 CN) δ 8.24 (ABq, J = 9.2 Hz, Δv = 214.2 Hz, 4 H).
4-Fluorbenzoldiazonium-tetrafluoroborat (3). Ausbeute: 79%. Schmp. 160°C. 1N NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8,64 (dd, J = 9,4 Hz, 9,5 Hz, 2 H), 7,69 (dd, J = 9,4 Hz, 9,5 Hz, 2 N).4-fluorobenzene diazonium tetrafluoroborate (3). Yield: 79%. Mp 160 ° C. 1 N NMR (400 MHz, CD 3 CN) δ 8.64 (dd, J = 9.4 Hz, 9.5 Hz, 2 H), 7.69 (dd, J = 9.4 Hz, 9.5 Hz, 2 N).
4-tert-Butylbenzoldiazonium-tetrafluoroborat (4). Das 4-tert-Butylanilin wurde vor der Zugabe zu dem Nitrosonium-tetrafluoroborat in einem 1:1-Gemisch von Acetonitril und trockenem Methylenchlorid gelöst. Ausbeute: 78%. Schmp. 91°C. IR (KBr) 3364,8, 3107,3, 2968,6, 2277,2, 1579,2, 1482,0, 1418,0, 1373,5, 1269,8, 1056,9, 841,1, 544,6 621,4 cm–1. 1H NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8,16 (ABq, J = 9,0 Hz, Δv = 298,7 Hz, 4 H), 1,30 (s, 12 H). 13C NMR (100 MHz, CD3CN) δ 168,85, 133,67, 130,43, 111,88, 37,86, 30,84.4-tert-butylbenzene diazonium tetrafluoroborate (4). The 4-tert-butylaniline was dissolved in a 1: 1 mixture of acetonitrile and dry methylene chloride before addition to the nitrosonium tetrafluoroborate. Yield: 78%. Mp 91 ° C. IR (KBr) 3364.8, 3107.3, 2968.6, 2277.2, 1579.2, 1482.0, 1418.0, 1373.5, 1269.8, 1056.9, 841.1, 544, 6,621.4 cm -1 . 1 H NMR (400 MHz, CD 3 CN) δ 8.16 (ABq, J = 9.0 Hz, Δv = 298.7 Hz, 4 H), 1.30 (s, 12 H). 13 C NMR (100 MHz, CD 3 CN) δ 168.85, 133.67, 130.43, 111.88, 37.86, 30.84.
4-Nitrobenzoldiazonium-tetrafluoroborat (5). Ausbeute: 67%. Schmp. 142°C. 1H NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8,72 (ABq, J = 9,4 Hz, Δv = 65,4 Hz, 4 N).4-nitrobenzene diazonium tetrafluoroborate (5). Yield: 67%. Mp 142 ° C. 1 H NMR (400 MHz, CD 3 CN) δ 8.72 (ABq, J = 9.4 Hz, Δv = 65.4 Hz, 4 N).
4-Methoxycarbonylbenzoldiazonium-tetrafluoroborat (6): Ausbeute: 80%; Schmp. 113°C. IR (KBr) 3103,8, 3042,4, 2955,3, 2294,7, 2310,1, 1731,4, 1582,9, 1439,5, 1306,4, 1045,23, 953,1, 860,9, 758,5, 666,3, 528,0 cm–1. 1H NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8,51 (ABq, J = 9,1 Hz, Δv = 77,9 Hz, 4 H), 3,97 (s, 3 H). 13C NMR (100 MHz, CD3CN) 165,02, 142,44, 134,12, 133,16, 119,77, 54,43.4-methoxycarbonylbenzene diazonium tetrafluoroborate (6): yield: 80%; Mp 113 ° C. IR (KBr) 3103.8, 3042.4, 2955.3, 2294.7, 2310.1, 1731.4, 1582.9, 1439.5, 1306.4, 1045.23, 953.1, 860, 9, 758.5, 666.3, 528.0 cm -1 . 1 H NMR (400 MHz, CD 3 CN) δ 8.51 (ABq, J = 9.1 Hz, Δv = 77.9 Hz, 4 H), 3.97 (s, 3 H). 13 C NMR (100 MHz, CD 3 CN) 165.02, 142.44, 134.12, 133.16, 119.77, 54.43.
4-Tetradecylbenzoldiazonium-tetrafluoroborat (7). Das 4-Tetradecylanilin wurde vor der Zugabe zu dem Nitrosonium-tetrafluoroborat in einem 1:1-Gemisch von Acetonitril und trockenem Methylenchlorid gelöst. Ausbeute: 69%. Schmp. 82°C. IR (KBr) 3103,8, 2919,5, 2289,6, 1577,8, 1473,7, 1070,8, 1024,8, 844,5, 813,8, 716,9, 541,0, 510,2 cm–1. 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8,02 (ABq, J = 8,8 Hz, Δv = 370,6 Hz, 4 N), 2,76 (t, J = 7,7 Hz, 2 H), 1,61 (quin, J = 7,8 Hz, 2 H), 1,23 (s, 22 H), 0,85 (t, J = 7,0 Hz, 3 N). 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 159,92, 133,26, 131,94, 110,96, 37,49, 32,34, 30,87, 30,12, 30,10, 30,07, 30,04, 29,91, 29,78, 29,75, 29,72, 23,11, 14,55.4-tetradecylbenzene diazonium tetrafluoroborate (7). The 4-tetradecylaniline was dissolved in a 1: 1 mixture of acetonitrile and dry methylene chloride before addition to the nitrosonium tetrafluoroborate. Yield: 69%. Mp 82 ° C. IR (KBr) 3103.8, 2919.5, 2289.6, 1577.8, 1473.7, 1070.8, 1024.8, 844.5, 813.8, 716.9, 541.0, 510, 2 cm -1 . 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ 8.02 (ABq, J = 8.8 Hz, Δv = 370.6 Hz, 4 N), 2.76 (t, J = 7.7 Hz, 2 H ), 1.61 (quin, J = 7.8 Hz, 2 H), 1.23 (s, 22 H), 0.85 (t, J = 7.0 Hz, 3 N). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ) δ 159.92, 133.26, 131.94, 110.96, 37.49, 32.34, 30.87, 30.12, 30.10, 30.07 , 30.04, 29.91, 29.78, 29.75, 29.72, 23.11, 14.55.
2-[2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]ethyl-p-toluolsulfonat (13). Natriumhydroxid (3,65 g, 91,3 mMol) und Tri(ethylenglycol)monomethylether (10,0 g, 60,9 mMol) wurden in einem Gemisch von Tetrahydrofuran und Wasser (140 mL bzw. 20 mL) gelöst. Die Lösung wurde in einem Eisbad gekühlt. Eine Lösung von Toluolsulfonylchlorid (12,76 g, 67,0 mMol) in 20 mL Tetrahydrofuran wurde langsam zugegeben. Die Lösung wurde bei 0°C 3 h lang gerührt, dann in 50 mL Eiswasser gegossen. Das Gemisch wurde mehrere Male mit Methylenchlorid extrahiert. Die vereinigten organischen Schichten wurden mit verdünnter HCl, dann Kochsalzlösung gewaschen und über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach dem Filtrieren wurde das Lösungsmittel durch Destillation bei verringertem Druck entfernt, um 16,6 g des Produkts zu ergeben (86% Ausbeute). 1H NMR (400 MHz, CDC13) δ 7,50 (ABq, J = 7,9 Hz, Δv = 179 Hz, 4 H), 4,09 (app t, J = 4,8 Hz, 2 H), 3,61 (app t, J = 4,9 Hz, 2 H), 3,55 bis 3,52 (m, 6 N), 3,47 bis 3,46 (m, 2 H), 3,30 (s, 3 H), 2,38 (s, 3 H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 145,21, 133,28, 130,21, 128,28, 72,20, 71,00, 70,85, 69,69, 68,95, 68,26, 59,31, 21,96. IR (Reinsubstanz) 3503,3, 2878,5, 1597,9, 1453,1, 1356,3, 1292,0, 1247,0, 1177,2, 1097,5, 1019,0, 924,17, 818,0, 776,9, 664,5 cm–1.2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] ethyl p-toluenesulfonate (13). Sodium hydroxide (3.65 g, 91.3 mmol) and tri (ethylene glycol) monomethyl ether (10.0 g, 60.9 mmol) were dissolved in a mixture of tetrahydrofuran and water (140 mL and 20 mL, respectively). The solution was cooled in an ice bath. A solution of toluenesulfonyl chloride (12.76 g, 67.0 mmol) in 20 mL tetrahydrofuran was slowly added. The solution was stirred at 0 ° C for 3 h, then poured into 50 mL ice water. The mixture was extracted several times with methylene chloride. The combined organic layers were washed with dilute HCl, then brine and dried over magnesium sulfate. After filtering, the solvent was removed by distillation under reduced pressure to give 16.6 g of the product (86% yield). 1 H NMR (400 MHz, CDC1 3 ) δ 7.50 (ABq, J = 7.9 Hz, Δv = 179 Hz, 4 H), 4.09 (app t, J = 4.8 Hz, 2 H) , 3.61 (app t, J = 4.9 Hz, 2 H), 3.55 to 3.52 (m, 6 N), 3.47 to 3.46 (m, 2 H), 3.30 (s, 3H), 2.38 (s, 3H). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ) δ 145.21, 133.28, 130.21, 128.28, 72.20, 71.00, 70.85, 69.69, 68.95, 68.26 , 59.31, 21.96. IR (pure substance) 3503.3, 2878.5, 1597.9, 1453.1, 1356.3, 1292.0, 1247.0, 1177.2, 1097.5, 1019.0, 924.17, 818, 0, 776.9, 664.5 cm -1 .
4-{2-(2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]ethyl}nitrobenzol (14). Eine Menge von 13 (9,0 g, 28,3 mMol) wurde in 50 mL Dimethylformamid gelöst. Kaliumcarbonat (11,75 g, 85,0 mMol) und 4-Nitrophenol (3,82 g, 27,5 mMol) wurden zugegeben. Die Lösung wurde bei 80°C 16 h lang gerührt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Lösung in Wasser gegossen und dreimal mit Methylenchlorid extrahiert. Die vereinigten organischen Schichten wurden mit Wasser, dann Kochsalzlösung gewaschen, über Magnesiumsulfat getrocknet, filtriert, und das Lösungsmittel wurde durch Destillation bei verringertem Druck entfernt. Zur Isolierung des Produkts (5,71 g, 73% Ausbeute) wurde Chromatographie (Silica, Hexan: Ethylacetat, 1:2) verwendet. IR (Reinsubstanz) 3109,2, 3078,2, 2878,5, 1726,3, 1588,1, 1511,2, 1337,1, 1106,7, 1050,3, 932,6, 845,5, 753,3, 656,1 cm–1. 1H NMR (CDC13) δ 8,07 (d, J = 9,3 Hz, 2 H), 6,88 (d, J = 9,3 Hz, 2 H), 4,12 (app t, 2H), 3,79 (app t, 2 H), 3,62 (m, 2 H), 3,58 bis 3,53 (m, 4 H), 3,44 bis 3,42 (m, 2 H), 3,26 (s, 3 H); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 164,29, 141,93, 126,24, 114,99, 72,29, 71,29, 71,03, 70,98, 69,77, 68,60, 59,44.4- {2- (2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] ethyl} nitrobenzene (14). An amount of 13 (9.0 g, 28.3 mmol) was dissolved in 50 mL dimethylformamide. Potassium carbonate (11.75 g , 85.0 mmol) and 4-nitrophenol (3.82 g, 27.5 mmol) were added and the solution was stirred for 16 h at 80 ° C. After cooling to room temperature, the solution was poured into water and three times with methylene chloride The combined organic layers were washed with water, then brine, dried over magnesium sulfate, filtered, and the solvent was removed by distillation under reduced pressure. To isolate the product (5.71 g, 73% yield), chromatography (silica, Hexane: ethyl acetate, 1: 2) IR (pure substance) 3109.2, 3078.2, 2878.5, 1726.3, 1588.1, 1511.2, 1337.1, 1106.7, 1050.3, 932.6, 845.5, 753.3, 656.1 cm -1 1 H NMR (CDC1 3 ) δ 8.07 (d, J = 9.3 Hz, 2 H), 6.88 (d, J = 9.3 Hz, 2 H), 4.12 (app t, 2H), 3.79 (app t, 2 H), 3.62 (m, 2 H), 3.58 to 3.53 ( m, 4 H), 3.44 to 3.42 (m, 2H), 3.26 (s, 3H); 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ) δ 164.29, 141.93, 126.24, 114.99, 72.29, 71.29, 71.03, 70.98, 69.77, 68.60 , 59.44.
4-{2-[2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]ethyl}anilin (15). Eine Menge von 14 (5,77 g, 20,2 mMol) wurde in 40 mL saurem Ethanol gelöst, und eine katalytische Menge von 10% Palladium auf Kohlenstoff wurde zugegeben. Das Gemisch wurde 3 h lang mit einer Parr-Apparatur (60 psi, 70°C) hydriert. Das Gemisch wurde dann über Celite filtriert, wobei mit Ethanol gewaschen wurde. Festes Natiumbicarbonat wurde zugegeben, und das Gemisch wurde 2 h lang gerührt und dann filtriert. Das Lösungsmittel wurde durch Destillation bei verringertem Druck entfernt, wobei ein braunes Öl zurück blieb (5,0 g, 98% Ausbeute). IR (Reinsubstanz) 3441,82, 3349,64, 2893,88, 2238,41, 1634,41, 1516,36, 1449,79, 1234,71, 1101,56, 906,97, 722,62 cm–1. 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6,65 (ABq, J = 8,7 Hz, Δv = 51,5 Hz, 4 H), 4,01 (t, J = 5,4 Hz, 2 H), 3,77 (t, J = 4,6 Hz, 2 H), 3,69 (app t, J = 5,6 Hz, 2 H), 3,65 bis 3,59 (m, 4 H), 3,51 (app t, J = 4,9 Hz, 2 H), 3,34 (s, 3 H), 3,0 (brs, 2 H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 152,30, 140,58, 116,75, 116,24, 72,31, 71,14, 71,02, 70,93, 70,30, 68,49, 59,44.4- {2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] ethyl} aniline (15). An amount of 14 (5.77 g, 20.2 mmol) was dissolved in 40 mL acidic ethanol and a catalytic amount of 10% palladium on carbon was added. The mixture was hydrogenated with a Parr apparatus (60 psi, 70 ° C) for 3 hours. The mixture was then filtered through Celite, washing with ethanol. Solid sodium bicarbonate was added and the mixture was stirred for 2 hours and then filtered. The solvent was removed by distillation under reduced pressure leaving a brown oil (5.0 g, 98% yield). IR (neat) 3441.82, 3349.64, 2893.88, 2238.41, 1634.41, 1516.36, 1449.79, 1234.71, 1101.56, 906.97, 722.62 cm -1 , 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ 6.65 (ABq, J = 8.7 Hz, Δv = 51.5 Hz, 4 H), 4.01 (t, J = 5.4 Hz, 2 H ), 3.77 (t, J = 4.6 Hz, 2 H), 3.69 (app t, J = 5.6 Hz, 2 H), 3.65 to 3.59 (m, 4 H) , 3.51 (app t, J = 4.9 Hz, 2 H), 3.34 (s, 3 H), 3.0 (brs, 2 H). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ) δ 152.30, 140.58, 116.75, 116.24, 72.31, 71.14, 71.02, 70.93, 70.30, 68.49 , 59.44.
4-{2-[2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]ethyl}benzoldiazonium-tetrafluoroborat (9). Verbindung 15 wurde dem oben für die Diazotierung beschriebenen Verfahren unterzogen. Das Produkt war nicht kristallin, sondern vielmehr ein dunkelrotes, klebriges Material, dessen Handhabung schwierig war. Der Rückstand wurde dreimal mit Ether vermischt, wobei das Lösungsmittel abdekantiert wurde. Dieses Material war im 1H NMR ausreichend rein und wurde ohne weitere Reinigung oder Charakterisierung verwendet (2,17 g, 52% Ausbeute). 1H NMR (400 MHz, Aceton-d6) δ 8,12 (ABq, J = 9,5 Hz, Δv = 479,5 Hz, 4 H), 4,53 (app t, J = 4,5 Hz, 2 H), 3,92 (t, J = 4,4 Hz, 2 H), 3,68 bis 3,66 (m, 2 H), 3,61 bis 3,56 (m, 4 H), 3,46 (t, J = 5,4 Hz, 2 H), 3,27 (s, 3 H).4- {2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] ethyl} benzenediazonium tetrafluoroborate (9). Compound 15 was subjected to the procedure described above for the diazotization. The product was not crystalline, but rather a dark red, sticky material that was difficult to handle. The residue was mixed three times with ether, the solvent being decanted off. This material was sufficiently pure in 1 H NMR and was used without further purification or characterization (2.17 g, 52% yield). 1 H NMR (400 MHz, acetone-d 6 ) δ 8.12 (ABq, J = 9.5 Hz, Δv = 479.5 Hz, 4 H), 4.53 (app t, J = 4.5 Hz , 2 H), 3.92 (t, J = 4.4 Hz, 2 H), 3.68 to 3.66 (m, 2 H), 3.61 to 3.56 (m, 4 H), 3.46 (t, J = 5.4 Hz, 2H), 3.27 (s, 3H).
Verbindung 10. In ein Schraubverschluss-Rohr mit einem Magnetrührstab wurden Boc2O (17,6 g, 80,6 mMol), 4-Aminothiophenol (10,0 g, 80,6 mMol), Triethylamin (13,5 mL, 96,7 mMol), 150 mL Dichlormethan und N,N-Dimethylaminopyridin (4,92 g, 40,3 mMol) gegeben. Das Rohr wurde dann mit Stickstoff gespült, und der Schraubverschluss wurde aufgesetzt. Die Lösung wurde bei Raumtemperatur 24 h gerührt. Die Lösung wurde dann mit drei 75 mL-Mengen Wasser gewaschen, die organische Schicht wurde über Magne siumsulfat getrocknet, dann filtriert und konzentriert. Der Rückstand wurde unter Verwendung von Hexanen : Ethylacetat (1,5 : 1) als Eluierungsmittel auf Silica chromatographiert. Das Produkt wurde als ein klares Öl, das beim Stehen auskristallisierte, isoliert (16,6 g, 94%). Schmp. 83–86°C. IR (KBr) 3454,5, 3376,8, 2978,6, 1711,4, 1630,1, 1597,4, 1500,0, 1384,4, 1296,0, 1201,0, 1176,3, 1125,4, 857,2, 825,2, 669,8 cm–1. 1H NMR (200 MHz, CDCl3) δ 7,32 (d, J = 8,6 Hz, 2 H), 6,70 (d, J = 8,6 Hz, 2 H), 3,83 (brs, 1 H), 4,54 (s, 9 H). 13C NMR (50 MHz, CDCl3) 169,72, 148,26, 137,05, 116,33, 115,89, 85,49, 28,63.Compound 10. Boc 2 O (17.6 g, 80.6 mmol), 4-aminothiophenol (10.0 g, 80.6 mmol), triethylamine (13.5 mL, 96) were placed in a screw cap tube with a magnetic stir bar , 7 mmol), 150 mL dichloromethane and N, N-Dimethylaminopyridine (4.92 g, 40.3 mmol) added. The tube was then purged with nitrogen and the screw cap was put on. The solution was stirred at room temperature for 24 hours. The solution was then washed with three 75 mL amounts of water, the organic layer was dried over magnesium sulfate, then filtered and concentrated. The residue was chromatographed on silica using hexanes: ethyl acetate (1.5: 1) as the eluent. The product was isolated as a clear oil which crystallized on standing (16.6 g, 94%). Mp 83-86 ° C. IR (KBr) 3454.5, 3376.8, 2978.6, 1711.4, 1630.1, 1597.4, 1500.0, 1384.4, 1296.0, 1201.0, 1176.3, 1125, 4, 857.2, 825.2, 669.8 cm -1 . 1 H NMR (200 MHz, CDCl 3 ) δ 7.32 (d, J = 8.6 Hz, 2 H), 6.70 (d, J = 8.6 Hz, 2 H), 3.83 (brs , 1H), 4.54 (s, 9H). 13 C NMR (50 MHz, CDCl 3 ) 169.72, 148.26, 137.05, 116.33, 115.89, 85.49, 28.63.
Verbindung 11. In einen auf –20°C gekühlten 500 mL-Rundkolben wurden 6,74 mL BF3OEt2(171,9 mMol) gegeben. Dazu wurde über einen Zeitraum von 10 min eine Lösung von 10 (3,0 g, 225,3 mMol), gelöst in 30 mL THF, zugegeben. Dazu wurde eine Lösung von t-Butylnitrit (5,59 mL, 103,12 mMol) in 20 mL THF gegeben. Die Lösung wurde gerührt und während 40 min auf 0°C aufwärmen lassen, wobei zu der Zeit 400 mL kalter Ether zugegeben wurde. Die Ausfällung wurde durch Filtration gesammelt, um 4,14 g (96%) des gewünschten Produkts zu erhalten. 1H NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8,52 (d, J = 9,1 Hz, 2 H), 8,0 (d, J = 9,1 Hz, 2 H), 1,54 (s, 9 H).Compound 11. 6.74 ml of BF 3 OEt 2 (171.9 mmol) were placed in a 500 mL round-bottom flask cooled to -20 ° C. A solution of 10 (3.0 g, 225.3 mmol), dissolved in 30 mL THF, was added over a period of 10 min. A solution of t-butyl nitrite (5.59 mL, 103.12 mmol) in 20 mL THF was added. The solution was stirred and allowed to warm to 0 ° C over 40 min, at which time 400 mL cold ether was added. The precipitate was collected by filtration to obtain 4.14 g (96%) of the desired product. 1 H NMR (400 MHz, CD 3 CN) δ 8.52 (d, J = 9.1 Hz, 2 H), 8.0 (d, J = 9.1 Hz, 2 H), 1.54 ( s, 9 H).
4-Hydroxycarbonylphenyldiazonium-tetrafluoroborat (12). Diese Verbindung wurde nach dem allgemeinen Verfahren (siehe oben) hergestellt. Sulfolan wurde als ein Cosolvens für die 4-Aminobenzoesäure verwendet. Ausbeute: 60%. IR (KBr) 3247,9, 3105,3, 2305,5, 1732,6, 1416,1, 1386,5, 1300,1, 1232,8, 1093,1, 996,1, 906,9, 872,0 cm–1. 1H NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8,64 (d, J = 9,0 Hz, 2 H), 8,44 (d, J = 9,0 Hz, 2 H).4-hydroxycarbonylphenyldiazonium tetrafluoroborate (12). This connection was made according to the general procedure (see above). Sulfolane was used as a cosolvent for the 4-aminobenzoic acid. Yield: 60%. IR (KBr) 3247.9, 3105.3, 2305.5, 1732.6, 1416.1, 1386.5, 1300.1, 1232.8, 1093.1, 996.1, 906.9, 872, 0 cm -1 . 1 H NMR (400 MHz, CD 3 CN) δ 8.64 (d, J = 9.0 Hz, 2 H), 8.44 (d, J = 9.0 Hz, 2 H).
Allgemeines Verfahren zur elektrochemischen Derivatisierung von SWNT-pGeneral procedure for the electrochemical derivatization of SWNT-p
Die für die elektrochemischen Derivatisierungs-Experimente verwendete Vorrichtung war eine 3-Elektroden-Zelle mit einer Ag/AgNO3-Referenzelektrode und einer Platindraht-Gegenelektrode. Ein Stück Bucky Paper (1–2 mg) diente als die Arbeitselektrode. Das Bucky Paper wurde durch Filtrieren einer 1,2-Dichlorbenzol-Suspension über eine 0,2 μm PTFE-Membran (47 mm, Sartorius) hergestellt. Nach Trocknung unter Vakuum wurde das Papier von der Membran abgezogen, und ein Stück wurde zur Verwendung bei der Derivati sierung abgetrennt. Das Bucky Paper wurde mit einer Krokodilklemme, die vorher mit einer Paste von kolloidalem Silber (Ted Pella, Inc.) behandelt worden war, gehalten und in eine Acetonitril-Lösung des Diazonium-Salzes (0,5 mM für SWNT-1 bis SWNT-7 und SWNT-9; 0,01 M für SWNT-8) und Tetra-nbutylammonium-tetrafluoroborat (0,05 M) eingetaucht. Es wurde darauf geachtet, nicht die Krokodilklemme selbst einzutauchen. Ein Potenzial von –1,0 V wurde für eine Dauer von 30 min angelegt. Es wurde auf Lichtausschluss geachtet, und während des Experiments wurde Stickstoff durch die Lösung geperlt. Nach der Reaktion wurde der Teil des Bucky Papers, der nicht in die Lösung eingetaucht war, abgetrennt, und der Rest wurde 24 h lang in Acetonitril eingeweicht, dann mit Acetonitril, Chloroform und Ethanol gewaschen. Nach dem Trocknen wurde dieses Material 20 min lang in Acetonitril beschallt, filtriert, und erneut mit Acetonitril, 2-Propanol und Chloroform gewaschen. Die Reaktionsprodukte wurden vor der Charakterisierung unter Vakuum bei Raumtemperatur getrocknet. Kontrollexperimente ohne ein Diazonium-Salz bestätigen, dass solche Bedingungen die Nanoröhrchen nicht beeinflussen, wie durch UV/vis/NIR, Raman und TGA überprüft wurde.The device used for the electrochemical derivatization experiments was a 3-electrode cell with an Ag / AgNO 3 reference electrode and a platinum wire counter electrode. A piece of bucky paper (1-2 mg) served as the working electrode. The bucky paper was produced by filtering a 1,2-dichlorobenzene suspension over a 0.2 μm PTFE membrane (47 mm, Sartorius). After drying under vacuum, the paper was peeled from the membrane and a piece was separated for use in derivatization. The bucky paper was held with an alligator clip previously treated with a colloidal silver paste (Ted Pella, Inc.) and placed in an acetonitrile solution of the diazonium salt (0.5 mM for SWNT-1 to SWNT- 7 and SWNT-9; 0.01 M for SWNT-8) and tetra-n-butylammonium tetrafluoroborate (0.05 M). Care was taken not to immerse the alligator clip itself. A potential of –1.0 V was applied for a period of 30 min. Care was taken to exclude light and nitrogen was bubbled through the solution during the experiment. After the reaction, the part of the bucky paper that was not immersed in the solution was separated, and the rest was soaked in acetonitrile for 24 hours, then washed with acetonitrile, chloroform and ethanol. After drying, this material was sonicated in acetonitrile for 20 minutes, filtered and washed again with acetonitrile, 2-propanol and chloroform. The reaction products were dried under vacuum at room temperature before characterization. Control experiments without a diazonium salt confirm that such conditions do not affect the nanotubes, as verified by UV / vis / NIR, Raman and TGA.
Andere Salze und ParameterOther salts and parameters
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine große Vielfalt von Aryl-diazonium-Salzen zur Modifizierung verwendet werden. Außerdem können Parameter wie zugefügtes Potenzial, die Dauer des angelegten Potenzials, das Lösungsmittel und der Hilfselektrolyt variiert werden. Darüber hinaus könnten für das erfindungsgemäße Verfahren Alkyl-, Alkenyl- und Alkinyl-Zusätze verwendet werden.In the method according to the invention can be a big one Variety of aryl diazonium salts can be used for modification. Moreover can Parameters like added Potential, the duration of the applied potential, the solvent and the auxiliary electrolyte can be varied. In addition, for the inventive method Alkyl, alkenyl and alkynyl additives be used.
B. CharakterisierungB. Characterization
Rasterelektronenmikroskopie-Experimente (SEM; scanning electron microscopy) wurden an einem Phillips ESEM XL-30 mit einer Beschleunigungsspannung von 50.000 V durchgeführt. Dieses Gerät war mit einem EDAX-Detektor ausgestattet. Proben für die TEM-Abbildung wurden aus THF auf ein 200 mesh Iacey-Kohlenstoffgitter auf einem Kupferträger tropfgetrocknet. Die Beschleunigungsspannung war 100 kV. Ramanspektren wurden an einem Re nishaw-Ramascope an festen Proben mit Anregung bei 782 nm gesammelt. UV/vis/NIR-Absorptionsspektren wurden an einem Shimadzu UVPC-3101 im Zweistrahlmodus mit Lösungsmittel-Referenz gesammelt. FT-IR-Spektren wurden unter Verwendung eines Zubehörs für abgeschwächte Totalreflexion (ATR) gesammelt. TGA-Daten wurden in Argon an einem TA Instruments SDT-2960 gesammelt. AFM-Experimente wurden im Tapping-Modus an einem Digital-Multi-mode SPM durchgeführt. Proben für diese Experimente wurden durch Beschallung dispergiert und auf ein frisch gespaltenes Glimmersubstrat aufgeschleudert. EMPA-Experimente wurden an einer Cameca SX-50 durchgeführt. Das Gerät wurde kalibriert, und die Daten wurden von mehreren verschiedenen Punkten auf jeder Probe genommen. Das Mittel dieser Punkte ist unten angegeben. NMR-Daten wurden an einem Bruker Avance 400 gesammelt. Chemische Verschiebungen sind in ppm, von TMS zu tieferem Feld hin, angegeben und auf Lösungsmittel bezogen. Schmelzpunkte sind nicht berichtigt.Scanning electron microscopy (SEM) experiments were carried out on a Phillips ESEM XL-30 with an accelerating voltage of 50,000 V. This device was equipped with an EDAX detector. Samples for TEM imaging were drop dried from THF onto a 200 mesh Iacey carbon grid on a copper support. The acceleration voltage was 100 kV. Raman spectra were collected on a Renishaw Ramascope on solid samples with excitation at 782 nm. UV / vis / NIR absorption spectra were collected on a Shimadzu UVPC-3101 in two-beam mode with solvent reference. FT-IR spectra were collected using an attenuated total reflection (ATR) accessory. TGA data was collected in argon on a TA Instruments SDT-2960. AFM experiments were carried out in tapping mode on a digital multi-mode SPM. Samples for these experiments were dispersed by sonication and onto a freshly cleaved mica spun on substrate. EMPA experiments were carried out on a Cameca SX-50. The device was calibrated and data was taken from several different points on each sample. The mean of these points is given below. NMR data were collected on a Bruker Avance 400. Chemical shifts are given in ppm from TMS to the lower field and are related to solvents. Melting points are not corrected.
Elektronische Struktur und optische EigenschaftenElectronic structure and optical properties
Die elektronische Struktur und die
optischen Eigenschaften von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurden
gut erforscht. Liang, W.Z. et al., J. Am. Chem. Soc. 2000, 122,
11129–11137;
Jost, O., et al., App. Phys. Lett. 1999, 75, 2217–2219; Wu,
J. et al., App. Phys. Lett. 2000, 77, 2554–2556. Das UV/VIS/NIR-Absorptionsspektrum
von SWNT-p und SWNT-1 ist in
Raman-SpektroskopieRaman spectroscopy
Raman-Spektroskopie von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist
ebenfalls sowohl theoretisch als auch experimentell gut entwickelt.
Richter, E., et al., Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 2738–2740; Rao,
A.M., et al., Science 1997, 275, 187–191; Li, H.D., et al., App.
Phys. Lett. 2000, 76, 2053–2055.
Das Raman-Spektrum von SWNT-p (
Tabelle
1 
Während
es bei der Frequenz der Störungsschwingung
keine signifikante Veränderung
gibt, erhöhte sich
die Intensität
dieser Schwingung relativ zur Intensität der anderen beiden Schwingungen
in allen Fällen. Die
Intensität
der tangentialen Schwingung ist in den meisten Fällen ebenfalls relativ zur
radialen Atmungsschwingung erhöht,
und die Gesamtintensität
ist geringer. In manchen Fällen
offenbarten nach der Funktionalisierung gesammelte Raman-Spektren
Veränderungen
der relativen Intensitäten
der Peaks im Bereich der radialen Atmungsschwingungen. Zum Beispiel
sind die Raman-Spektren in diesem Bereich für SWNT-p und SWNT-4 in
Infrarotspektroskopieinfrared spectroscopy
Infrarot-Spektroskopie (FT-IR, ATR)
wurde ebenfalls zur Charakterisierung einiger der derivatisierten Materialien
verwendet. Das Spektrum von SWNT-4 (
Elektronen-Mikrosonden-AnalyseElectron microprobe analysis
Elektronen-Mikrosonden-Analyse-Experimente (EMPA, electron microprobe analysis) offenbarten 2,7 Atom-% Chlor für SWNT-2 (Mittel von 4 Punkten) und 3,5 Atom-% Fluor für SWNT-3 (Mittel von 5 Punkten). Diese Prozentsätze entsprechen geschätzten Stöchiometrien von CR0,036 für SWNT-2 und CR0,05 für SWNT-3, wobei C ein Kohlenstoff in dem Nanoröhrchen-Gerüst und R die funktionalisierende Gruppe ist. Dementsprechend trägt näherungsweise eine aus jeweils 20 bis 30 Kohlenstoffen in dem Nanoröhrchen eine funktionelle Gruppe.Electron microprobe analysis (EMPA) experiments revealed 2.7 atom% chlorine for SWNT-2 (average of 4 points) and 3.5 atom% fluorine for SWNT-3 (average of 5 points) , These percentages correspond to estimated stoichiometries of CR 0.036 for SWNT-2 and CR0.05 for SWNT-3, where C is a carbon in the nanotube framework and R is the functionalizing group. the Accordingly, approximately one of 20 to 30 carbons each carries a functional group in the nanotube.
Thermogravimetrische AnalyseThermogravimetric analysis
Bei der thermogravimetrischen Analyse
(TGA) von SWNT-2 (
Tabelle
2 
Tabelle 2 spiegelt wieder, dass der Funktionalitätsgrad für diese Verbindungen mindestens etwa eine Gruppe zu 40 Kohlenstoff-Atomen, und typischerweise mindestens etwa eine Gruppe zu 30 Kohlenstoff-Atomen, ist. Der geschätzte Funktionalitätsgrad ist ca. aus jeweils 20 bis 30 Kohlenstoffen in dem eine funktionelle Gruppe tragenden Nanoröhrchen.Table 2 reflects that the level of functionality for these compounds is at least about one group of 40 carbon atoms, and typically at least about one group of 30 carbon atoms. The estimated level of functionality is approx. 20 to 30 carbons each in one functional Group carrying nanotubes.
Raster- und Transmissions-ElektronenmikroskopieScanning and transmission electron microscopy
Auf Grund von unzureichender Auflösung offenbarte
eine Analyse der Reaktionsprodukte durch Rasterelektronenmikroskopie
(SEM, scanning electron microscopy) keinerlei sichtbaren Beweis
einer Funktionalisierung oder signifikanten Veränderung von SWNT-p. Transmissions-Elektronenmikroskopie
(TEM)-Bilder von SWNT-4 offenbarten signifikante Veränderungen
auf Grund der Funktionalisierung. In Bildern von SWNT-p (
Löslichkeitsolubility
Die Löslichkeit von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung von beträchtlichem Interesse. Die drei Lösungsmittel, die für die underivatisierten Nanoröhrchen mit kleinem Durchmesser am brauchbarsten sind, sind Dimethylformamid, Chloroform und 1,2-Dichlorbenzol. SWNT-4 war das einzige Material, von dem gefunden wurde, dass es eine signifikant verbesserte Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln bietet. Von SWNT-4 wurde sogar gefunden, dass es etwas löslich in Tetrahydrofuran (THF) war, im Gegensatz zu einem vollständigen Mangel an Löslichkeit für SWNT-p in diesem Lösungsmittel. Nach Beschallung für etwa 30 min wurde gefunden, das die THF-Lösung etwa 50 mg L–1 SWNT-4 enthielt, ohne sichtbares Teilchenmaterial. Nach 36 h war etwas sichtbares Teilchenmaterial vorhanden, aber das Lösungsmittel war noch fast schwarz. Diese dunkle Farbe wurde für mindestens mehrere Wochen beibehalten. Die Löslichkeit in Dimethylformamid, Chloroform und 1,2-Dichlorbenzol war ebenfalls verbessert, wobei Suspensionen sehr viel schneller gebildet wurden als im Fall von SWNT-p und höhere Konzentrationen erreichbar waren. Es wird angenommen, dass diese Verbesserung der Löslichkeit wahrscheinlich an der Blockierungswirkung der sperrigen tert-Butylgruppe liegt, die den zur Strangbildung ("roping") der Nanoröhrchen erforderlichen engen Kontakt verhindern könnte.The solubility of single-wall carbon nanotubes is of considerable interest to those skilled in the art. The three solvents that are most useful for the small diameter underivatized nanotubes are dimethylformamide, chloroform, and 1,2-dichlorobenzene. SWNT-4 was the only material that was found to offer significantly improved solubility in organic solvents. SWNT-4 was even found to be somewhat soluble in tetrahydrofuran (THF) as opposed to a complete lack of solubility for SWNT-p in this solvent. After sonication for about 30 min, it was found that the THF solution contained about 50 mg L -1 SWNT-4 with no visible particulate matter. Some visible particulate matter was present after 36 h, but the solvent was still almost black. This dark color was maintained for at least several weeks. The solubility in dimethylformamide, chloroform and 1,2-dichlorobenzene was also improved, with suspensions being formed much faster than in the case of SWNT-p and higher concentrations were achievable. It is believed that this solubility improvement is likely due to the blocking effect of the bulky tert-butyl group, which could prevent the close contact required to "roping" the nanotubes.
Von SWNT-5 und SWNT-8 wurde gefunden, dass sie in Dimethylformamid löslicher waren, aber die Löslichkeit in anderen Lösungsmitteln (Tetrahydrofuran, Toluol, 2-Propanol, Kohlenstoffdisulfid) war nicht verbessert. SWNT-9 wurde hergestellt in dem Bemühen, eine verbesserte Löslichkeit in Wasser und anderen Wasserstoffbrückenbindungs-Lösungsmitteln zu bewirken. Diese Funktionalisierung hatte jedoch ziemlich das entgegengesetzte Ergebnis. SWNT-9 war nicht in Wasser oder Wasser/0,2% Triton X dispergierbar. Beim Suspendieren von SWNT-9 in Dimethylformamid stieß man auf beträchtliche Schwierigkeiten.SWNT-5 and SWNT-8 were found that they're more soluble in dimethylformamide were, but the solubility in other solvents (Tetrahydrofuran, toluene, 2-propanol, carbon disulfide) was not improved. SWNT-9 was manufactured in an effort to improve solubility in water and other hydrogen bonding solvents to effect. However, this functionalization had quite the opposite Result. SWNT-9 was not dispersible in water or water / 0.2% Triton X. When suspending SWNT-9 in dimethylformamide, one came across considerable Trouble.
Widerstandsfähigkeitresistance
In dem Bemühen, die Widerstandsfähigkeit der Funktionalisierung zu untersuchen und eine einfache Intercalation oder Adsorption auszuschließen, wurde SWNT-1 einer Vielfalt von Bedingungen unterzogen. Dieses Material wurde 10 min lang sowohl bei Umgebungstemperatur als auch bei 45°C, sowohl in Chloroform als auch in 1,2-Dichlorbenzol, beschallt, filtriert und erneut spektroskopisch untersucht. Es wurden keine unterscheidbaren Veränderungen beobachtet. Zusätzlich wurde SWNT-1 in 1,2-Dichlorbenzol 10 min lang beschallt, um die Röhrchen zu dispergieren, dann 3 h lang bei 75°C gerührt. Nach Filtrieren und Waschen wurden keine spektroskopischen Veränderungen beobachtet.In an effort to be resilient to investigate the functionalization and a simple intercalation or exclude adsorption, SWNT-1 has been subjected to a variety of conditions. This material was at both ambient temperature and 45 ° C for 10 min in chloroform as well as in 1,2-dichlorobenzene, sonicated, filtered and examined again spectroscopically. There were no distinguishable ones changes observed. additionally was sonicated in 1,2-dichlorobenzene for 10 min to remove the tube to disperse, then stirred at 75 ° C for 3 h. After filtering and washing no spectroscopic changes were observed.
SWNT-3 wurde nach zusätzlicher Beschallung in Acetonitril, gefolgt von Filtrieren und Waschen, erneut mittels EMPA untersucht. Der Fluor-Gehalt war 3,6 Atom-%, verglichen mit 3,5 Atom-% (siehe oben), und daher innerhalb der Messgrenzen.SWNT-3 has been added Sonication in acetonitrile, followed by filtering and washing, examined again using EMPA. The fluorine content was 3.6 atom%, compared to 3.5 atomic% (see above), and therefore within the Measuring limits.
C. Derivatisierungs-MechanismenC. Derivatization Mechanisms
Es wird angenommen, ohne durch die
Theorie gebunden sein zu wollen, dass die hierin beschriebene Funktionalisierung
wahrscheinlich in einer Weise eingeleitet wird, die der in
Hierin liegt ein Hauptvorteil der Verwendung eines elektrochemischen Verfahrens im Gegensatz zu einem Verfahren in Lösungsphase, bei dem die Reduktion des Diazonium-Salzes durch Kupfer oder irgendein anderes Metall katalysiert wird. Da die Nanoröhrchen in Lösung in recht niedriger Konzentration vorhanden wären, würden die Aryl-Radikale wahrscheinlich von irgendeiner anderen Spezies gelöscht werden. Eine Dimerisierung von Nanoröhrchen ist in dem vorliegenden Fall ebenfalls unwahrscheinlich auf Grund des Mangels an Beweglichkeit im festen Zustand.This is one of the main advantages of Using an electrochemical process as opposed to one Process in solution phase, in which the reduction of the diazonium salt by copper or some other Metal is catalyzed. Because the nanotubes in solution in quite a low concentration would be present would the aryl radicals are likely from some other species deleted become. A dimerization of nanotubes is in the present Case also unlikely due to lack of mobility in the solid state.
Thermische Derivatisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Diazonium-SpeziesThermal derivatization of carbon nanotubes with diazonium species
Die Derivatisierung mit Aryl-diazonium-Spezies ist nicht auf die elektrochemisch induzierte Reaktion beschränkt. Das heißt, sowohl direkte Behandlung von Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Aryl-diazonium-tetrafluoroborat-Salzen in Lösung, als auch in-situ-Erzeugung des Diazoniums mit Alkylnitrit sind wirksame Mittel zur Funktionalisierung. In-situ-Erzeugung der Diazonium-Spezies hat insofern Vorteile, als dieses Verfahren die Notwendigkeit vermeiden kann, möglicherweise instabile oder lichtempfindliche Aryldiazonium-Spezies zu isolieren und zu lagern. Die während der thermischen Reaktion verwendete Temperatur wäre höchstens etwa 200°C und typischerweise höchstens etwa 60°C. In manchen Fällen wird beobachtet, dass die direkte Behandlung mit vorher hergestellten Diazonium-Salzen bei mäßiger Temperatur oder sogar Raumtemperatur wirksam ist, und es wird erwartet, dass Reaktionen bei Temperaturen unterhalb Raumtemperatur beobachtet werden könnten.The derivatization with aryl diazonium species is not limited to the electrochemically induced reaction. The is called, using both direct treatment of objectionable carbon nanotubes Aryl diazonium tetrafluoroborate salts in solution as well as in situ generation of diazonium with alkyl nitrite are effective means of functionalization. In situ generation of the diazonium species has advantages in that this procedure may avoid the need isolate unstable or photosensitive aryldiazonium species and store. The while the temperature used in the thermal reaction would be at most about 200 ° C and typically at the most about 60 ° C. In some cases it is observed that the direct treatment with previously prepared Diazonium salts at moderate temperature or even room temperature is effective, and is expected to Reactions observed at temperatures below room temperature could become.
A. Beispiele Nr. 12 bis 17A. Examples No. 12 to 17
Die bei dieser Untersuchung verwendeten Nanoröhrchen wurden wiederum durch ein katalytisches Gasphasen-Verfahren, entwickelt von Smalley et al., hergestellt und sind nun im Handel verfügbar (Carbon Nanotechnologies Inc., Material HiPco). Das Ausgangsmaterial wurde durch Oxidation in feuchter Luft bei 250°C für 24 h, dann Rühren in konzentrierter Salzsäure bei Raumtemperatur für 24 h gereinigt. Das sich ergebende Material wurde mit reichlichen Mengen Wasser, dann mit 10%igem wässrigen Natriumbicarbonat und schließlich mit zusätzlichem Wasser gewaschen. Nach Trocknung unter Vakuum wurde das Material für die Funktionalisierungs-Reaktionen verwendet.The used in this investigation nanotubes were again developed using a catalytic gas phase process by Smalley et al., and are now commercially available (Carbon Nanotechnologies Inc., material HiPco). The starting material was by oxidation in moist air at 250 ° C for 24 h, then stirring in concentrated hydrochloric acid at room temperature for 24 hours cleaned. The resulting material was copious with Amounts of water, then with 10% aqueous sodium bicarbonate and finally with additional Washed water. After drying under vacuum, the material for the Functionalization reactions used.
Die Reaktionsfolge ist in
Nach Abkühlen auf etwa 45°C wurde die Suspension mit 30 ml Dimethylformamid (DMF) verdünnt, über eine Teflonmembran (0,45 μm) filtriert und ausgiebig mit DMF gewaschen. Wiederholte Beschallung in und weiteres Waschen mit DMF stellte die Reinigung des Materials dar.After cooling to about 45 ° C Diluted suspension with 30 ml of dimethylformamide (DMF), filtered through a Teflon membrane (0.45 μm) and washed extensively with DMF. Repeated sound in and further washing with DMF represented the cleaning of the material.
B. CharakterisierungB. Characterization
Die funktionalisierten Nanoröhrchen-Materialien
16 bis 19 und 21 zeigten beträchtlich
geänderte
spektroskopische Eigenschaften ähnlich
denjenigen, die für
Materialien berichtet wurden, die mittels des oben beschriebenen
elektrochemischen Verfahrens derivatisiert wurden. Beispielsweise
zeigt das UV/vis/NIR-Absorptionsspektrum von 18 (
Relativ zu der tangentialen Schwingung bei ca. 1590 cm–1 ist die Intensität der radialen Atmungsschwingung (ca. 250 cm–1) verringert, und die Intensität der Störungsschwingung (1290 cm–1) ist beträchtlich erhöht. Die Erhöhung der relativen Intensität der Störungsschwingung kann einer erhöhten Anzahl sp3-hybridisierter Kohlenstoffe in dem Nanoröhrchen-Gerüst zugeschrieben werden und kann als ein grobes Maß für den Grad der Funktionalisierung genommen werden. Außerdem können, wie vorher diskutiert, die an den Nanoröhrchen befestigten funktionalisierten Phenyl-Gruppen durch Erhitzen in einer Argonatmosphäre entfernt werden, und die thermogravimetrische Analyse (TGA) liefert folglich eine quantitative Bestimmung des Grads der Funktionalisierung. Beim Erhitzen von 16 bis 19 auf 600°C in einer Argonatmosphäre waren die beobachteten Gewichtsverlustwerte wie folgt, mit dem Wert, der vorher für dieselben Materialien, hergestellt mittels der elektrochemischen Technik, berichtet wurde, in Klammern: 16 : 26% (30%), 17 : 25% (27%), 18 : 26% (31 %), 19 : 23% (26%) 21 (nicht mittels der elektrochemischen Technik hergestellt). Material 20 zeigte keine ähnlichen Veränderungen der spektroskopischen Eigenschaften oder einen signifikanten Masseverlust bei der TGA, obwohl diese Gruppe mittels der elektrochemischen Technik erfolgreich befestigt werden kann. Das Ester-tragende Material 18 wurde erfolgreich hergestellt, was im Prinzip über eine Hydrolyse Zugang zu der Carbonsäure-Gruppe gibt.Relative to the tangential vibration at approximately 1590 cm -1 , the intensity of the radial breathing vibration (approximately 250 cm -1 ) is reduced and the intensity of the disturbance vibration (1290 cm -1 ) is significantly increased. The increase in the relative intensity of the perturbation vibration can be attributed to an increased number of sp 3 -hybridized carbons in the nanotube framework and can be taken as a rough measure of the degree of functionalization. In addition, as previously discussed, the functionalized phenyl groups attached to the nanotubes can be removed by heating in an argon atmosphere, and thermogravimetric analysis (TGA) thus provides a quantitative determination of the degree of functionalization. When heated from 16 to 19 to 600 ° C in an argon atmosphere, the observed weight loss values were as follows, with the value previously reported for the same materials made by the electrochemical technique in parentheses: 16: 26% (30%) , 17: 25% (27%), 18: 26% (31%), 19: 23% (26%) 21 (not manufactured using the electrochemical technique). Material 20 showed no similar changes in the spectroscopic properties or a significant loss of mass in the TGA, although this group can be successfully attached by means of the electrochemical technique. The ester-bearing material 18 has been successfully produced, which in principle gives access to the carboxylic acid group via hydrolysis.
Es ist von primärem Interesse, den Funktionalisierungsgrad, der mit dem thermischen Verfahren erreichbar ist, mit dem, der mit den elektrochemischen Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, zu vergleichen. Die Experimente Nr. 13 bis 18 wurden mit einem großen Überschuss an Anilin-Derivat durchgeführt, d.h. ausreichend zur Bereitstellung der Diazonium-Spezies in Mengen, die der Menge an Diazonium-tetrafluoroborat-Salzen, die in den vorher diskutierten berichteten elektrochemischen Beispielen verwendet wurden, äquivalent waren. Daher sind diese Beispiele Nr. 13 bis 18 in dieser Hinsieht vergleichbar.It is of primary interest, the level of functionalization, which can be achieved with the thermal process, with which with obtained the electrochemical processes of the present invention was to compare. Experiments Nos. 13 to 18 were carried out with a large surplus of aniline derivative carried out, i.e. sufficient to provide the diazonium species in quantities, that of the amount of diazonium tetrafluoroborate salts used in the previous discussed reported electrochemical examples used were equivalent were. Therefore, these examples Nos. 13 to 18 in this regard comparable.
Für Material 16 ist ein direkter Vergleich durch Elektronenmikrosonden-Analyse verfügbar. Diese Analyse ergab einen Wert von 2,2 Atom-% Chlor, im Verhältnis zu 97 Atom-% Kohlenstoff. Bei ähnlichem Material, hergestellt durch die elektrochemische Technik, ergab die Analyse, dass es 2,7 Atom-% Chlor, im Verhältnis zu 96 Atom-% Kohlenstoff hatte (siehe oben).For Material 16 is a direct comparison through electron microprobe analysis available. This analysis showed a value of 2.2 atomic% chlorine, in relation to 97 atomic% carbon. With something similar Material produced by electrochemical technology the analysis that there is 2.7 atomic percent chlorine, relative to 96 atomic percent carbon had (see above).
Die TGA-Daten geben ebenfalls einen zusätzlichen Einblick in die relative Wirksamkeit des thermischen Verfahrens. Beispielsweise entspricht der Masseverlust für 19 einer Bestimmung von einem funktionalisierten Kohlenstoff unter 37 Kohlenstoffen in den Nanoröhrchen gegenüber dem durch das elektrochemische Verfahren erzielten Verhältnis von 1 unter 34. Man geht davon aus, dass die thermische Technik dann in ihrer Wirksamkeit für das äquivalente Material (SWNT-5) mit dem elektrochemischen Verfahren vergleichbar ist. Es wird angenommen, dass eine Optimierung der Bedingungen einen höheren Grad an Funktionalisierung liefern könnte. Die beobachtete Wirksamkeit ist ausreichend, um die Eigenschaften der Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen signifikant zu ändern, und wird wahrscheinlich für zahlreiche Anwendungen wie vernetzte Materialien und Verbundmaterial-Herstellung, wie unten diskutiert, zufrieden stellend sein.The TGA data also give one additional Insight into the relative effectiveness of the thermal process. For example, the mass loss for 19 corresponds to a determination of one functionalized carbon among 37 carbons in the nanotubes versus the ratio obtained by the electrochemical process 1 under 34. It is assumed that the thermal technology then in its effectiveness for the equivalent Material (SWNT-5) comparable to the electrochemical process is. It is believed that optimizing the conditions is one higher Level of functionalization. The observed effectiveness is sufficient to make the properties of the single-wall carbon nanotubes significant to change, and will probably be for numerous applications such as cross-linked materials and composite material production, as discussed below, be satisfactory.
Es wurde gefunden, dass die thermische Reaktion der vorliegenden Erfindung nahezu ebenso wirkungsvoll ist wie das elektrochemische Verfahren der vor liegenden Erfindung, obwohl in gewisser Hinsicht diese thermische Reaktion einfacher auszuführen und für maßstäbliche Anpassung besser verwendbar ist.It was found that the thermal Response of the present invention is almost as effective like the electrochemical method of the present invention, though in a sense this thermal reaction is easier to carry out and for scale adjustment is more usable.
Es wird wieder festgestellt, dass die chemische Derivatisierung von Nanoröhrchen auch unter Verwendung vorgefertigter Diazonium-Spezies erfolgreich durchgeführt werden kann. Die Diazonium-Spezies kann vorab hergestellt, isoliert und zu dem Gemisch zugegeben werden. Die Derivatisierung kann dann thermisch induziert werden. Zusätzliche Variationen umfassen Variationen bei der Temperatur des Verfahrens (Umgebungstemperatur und höhere und niedrigere Temperaturen), das Verhältnis der Reaktanten und eine Vielfalt organischer Lösungsmittel.It is found again that also using the chemical derivatization of nanotubes prefabricated diazonium species can be successfully carried out can. The diazonium species can be pre-made, isolated and be added to the mixture. The derivatization can then be thermally induced become. additional Variations include variations in the temperature of the process (Ambient temperature and higher and lower temperatures), the ratio of the reactants and a Variety of organic solvents.
Fotochemische Derivatisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Diazonium-SpeziesPhotochemical derivatization of carbon nanotubes with diazonium species
Beispiel Nr. 18Example No. 18
Eine Derivatisierung mit Aryl-diazonium-Spezies
kann auch fotochemisch induziert werden. Eine fotochemische Reaktion
wurde durchgeführt
unter Verwendung von 4-Chlorbenzoldiazonium-tetrafluoroborat, was dieselbe
Diazonium-Spezies, die in Beispiel Nr. 2 hergestellt und verwendet
wurde, ist. So wurde eine Suspension von SWNT-p in 1,2-Dichlorbenzol
durch Beschallung erzeugt. Zu dieser Suspension wurde eine Menge des
Diazonium-Salzes, gelöst
in einem Minimum an Acetonitril, zugegeben. Das sich ergebende Gemisch
wurde gerührt,
während
es in der Kammer einer fotochemischen Reaktionsvorrichtung mit einer
Anregungswellenlänge
von ca. 254 nm (einer Ultraviolettlicht-Quelle) blieb. Die Lichtquelle
für die
fotochemisch induzierte Reaktion kann irgendeine Wellenlänge sein
und ist typischerweise eine ultraviolette oder sichtbare Wellenlänge. Diese
Reaktion ist in
Dieses Experiment bestätigte weiterhin, dass die Reaktion des Diazonium-Salzes zu kovalenter Bindung an das Nanoröhrchen führt.This experiment further confirmed that the reaction of the diazonium salt leads to covalent binding to the nanotube.
Kontrollierte ortsspezifische Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Diazonium-SpeziesControlled site-specific Functionalization of carbon nanotubes with diazonium species
Durch Verwendung der elektrochemisch induzierten Reaktion der vorliegenden Erfindung kann eine Kontrolle ausgeübt werden, um die Nanoröhrchen an speziellen Stellen zu derivatisieren. Es können bestehende Technologien (M.S. Fuhrer, et al., "Crossed Nanotube Junctions", Science, 288, 21, April 2000, S. 494; Yu Huang, et al., "Directed Assembly of One-Dimensional Nanostructures into Functional Networks" Science, 291, 26. Januar 2001, S. 630; Yi Cui, et al., "Functional Nanoscale Electronics Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks" Science 291, 2. Februar 2001, S. 851) verwendet werden, um einen Kreuzbalken-Aufbau von Nanoröhrchen herzustellen, bei dem ein Nanoröhrchen an einem Substrat fixiert ist und ein zweites Nanoröhrchen in begrenztem Abstand darüber hängt. Beide Nanoröhrchen können einzeln elektrisch angesprochen werden. Anlegen entgegengesetzter Potenziale an den beiden Röhrchen veranlasst das obere Röhrchen, sich zu verformen und im Wesentlichen in Kontakt mit dem unteren Röhrchen zu kommen, "Kontakt", wie hierin verwendet, bedeutet sowohl tatsächlichen physikalischen Kontakt, aber auch Nähe der Gebilde innerhalb eines unendlich kleinen Abstands (als van der Waals-Kontakt bezeichnet), in dem die Gebilde einander im molekularen und elektronischen Maßstab beeinflussen können.By using the electrochemically induced reaction of the present invention, control can be exercised to derivatize the nanotubes at specific locations. Existing technologies (MS Fuhrer, et al., "Crossed Nanotube Junctions", Science, 288, 21, April 2000, p. 494; Yu Huang, et al., "Directed Assembly of One-Dimensional Nanostructures into Functional Networks" Science, 291, January 26, 2001, p. 630; Yi Cui, et al., "Functional Nanoscale Electronics Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks" Science 291, February 2, 2001, p. 851) can be used to produce a crossbar structure of nanotubes, in which a nanotube is attached to a substrate is fixed and a second nanotube hangs above it at a limited distance. Both nanotubes can be addressed electrically individually. Applying opposite potentials to the two tubes causes the upper tube to deform and essentially come into contact with the lower tube, "contact" as used herein means both physical contact but also proximity of the entities within an infinitely small one Distance (called van der Waals contact) at which the structures can influence each other on a molecular and electronic scale.
Diese Verformung führt zu zwei Eigenschaften von Bedeutung. Erstens wird das obere Röhrchen physikalisch verformt, was auf der Basis des gängigen Verständnisses von den Auswirkungen der Biegespannung auf die Reaktivität am Verformungspunkt zu einer möglicherweise höheren chemischen Reaktivität führt. Diese Eigenschaft würde eine selektive Funktionalisierung am Berührungspunkt mittels der elektrochemischen Reaktionstechnik mit Diazonium-Salzen erlauben. Zweitens wird am Punkt der "Kreuzung" zwischen den Röhrchen ein höheres Potenzial erreicht.This deformation leads to two Properties of importance. First, the top tube becomes physical deformed what is based on common understanding of the effects of the bending stress on the reactivity at the deformation point to a possibly higher chemical reactivity leads. This property would a selective functionalization at the point of contact by means of the electrochemical Reaction engineering with diazonium salts allow. Second, there is a higher potential at the point of "crossing" between the tubes reached.
Bei der vorliegenden Erfindung kann eine gerichtete Funktionalisierung der Berührungspunkte gekreuzter Nanoröhrchen durch Anlegen eines Potenzials an die Enden der Nanoröhrchen (wie in der Technik bekannt) in Anwesenheit von α,ω-Bis(diazonium)-Salzen oder Mono-diazonium-Salzen durchgeführt werden, wobei eine wechselwirkende Gruppe am entgegengesetzten Ende eine Funktionalisierung im Kreuzungspunktbereich erlauben würde.In the present invention directed functionalization of the contact points of crossed nanotubes Applying potential to the ends of the nanotubes (as is known in the art) in the presence of α, ω-bis (diazonium) salts or mono-diazonium salts are carried out, with an interactive Functionalization in the area of the intersection at the opposite end would allow.
Mittels derartiger Verfahren könnte irgendeine Kreuzbalkenanordnung von Nanoröhrchen funktionalisiert werden. Beispielsweise wird ein Kreuzbalken-Aufbau von Nanoröhrchen durch Fluidströmung über ein gemustertes Substrat oder durch direktes Röhrchenwachstum zwischen Polen (posts) oder durch irgendein anderes Verfahren hergestellt. Darüber hinaus könnte der hier beschriebene Diazonium-Salz-Aufbau in einer Diazonium-Lösung, mit Spannungen an orthogonalen Röhrchen, geschehen, unabhängig von dem Aufbauverfahren für die Röhrchen-Anordnungen. Das Anlegen von Potenzialen an die Nanoröhrchen in Anwesenheit von Diazonium-Salzen würde eine Funktionalisierung am Kreuzungspunkt-Bereich erlauben.Any such method could be used Crossbar arrangement of nanotubes be functionalized. For example, a crossbar construction of nanotubes is carried out Fluid flow over a patterned Substrate or by direct tube growth made between poles (posts) or by any other method. About that could out the diazonium salt structure described here in a diazonium solution, with Voltages on orthogonal tubes, happen regardless of the construction process for the tube arrangements. Applying potential to the nanotubes in the presence of diazonium salts would one Allow functionalization at the intersection area.
Die Diazonium-Spezies werden durch das am Berührungspunkt vorliegende Potenzial dahin geführt, mit der Oberfläche des Nanoröhrchens zu reagieren, so dass funktionelle molekulare Vorrichtungen an den Berührungspunkten angebracht werden. Ortsspezifische Funktionalisierung könnte die Verwendung von Nanoröhrchen in molekuiarelektronischen Anwendungen ermöglichen, da die Vorrichtungs-Funktionalität an den Kreuzungspunkten kritisch ist. Die gekreuzten Nanoröhrchen liefern daher ein Verfahren zum direkten Ansprechen der funktionalisierten Moleküle, einschließlich Molekülen, die als molekulare Schalter, molekulare Drähte und in anderen Funktionen und Verwendungen, wie in der Technik allgemein bekannt ist, funktionieren.The diazonium species are characterized by that at the point of contact existing potential led with the surface of the nanotube to react so that functional molecular devices at the points of contact be attached. Site-specific functionalization could Use of nanotubes enable in molecular electronics applications because of the device functionality at the crossing points is critical. The crossed nanotubes therefore provide a process for directly addressing the functionalized molecules, including molecules that as molecular switches, molecular wires and in other functions and uses as is well known in the art work.
Außerdem würde dieses Verfahren die Befestigung unterschiedlicher Moleküle an Nanoröhrchen-Kreuzungspunkten, d.h. eine kontrollierte Befestigung von zwei oder mehreren unterschiedlichen chemischen Funktionalitäten an verschiedenen Stellen auf Nanoröhrchen, erlauben. Dies würde durchgeführt werden, indem man ein Potenzial an einem bestimmten Satz von Positionen anlegt, während sie sich in einer Lösung eines ersten Diazonium-Salzes befinden, sie dann in eine Lösung eines zweiten Diazonium-Salzes bringt und an anderen Positionen ein Potenzial anlegt, etc. Außerdem erlaubt eine ortsspezifische Funktionalisierung, dass einzelne Moleküle oder Gruppen von Molekülen durch metallische Kontaktauflagen (pads) oder andere Kontaktmittel, wie sie in der Technik bekannt sind, elektrisch angesprochen werden. Gerade ein solches Molekül von elektronischem Interesse ist in SWNT-8 inkorporiert.Also, this procedure would be the attachment different molecules at nanotube crossing points, i.e. a controlled attachment of two or more different ones chemical functionalities allow at different locations on nanotubes. This would be done by putting a potential in a certain set of positions docks while they find themselves in a solution of a first diazonium salt, then in a solution of one second diazonium salt and potential in other positions moored, etc. Also allows site specific functionalization that individual molecules or Groups of molecules through metallic contact pads (pads) or other contact means, as are known in the art, are addressed electrically. Just such a molecule of electronic interest is incorporated in SWNT-8.
Anwendung chemisch modifizierter Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Polymer-VerbundmaterialienChemical application modified carbon nanotube in polymer composite materials
Polymermaterialien und Polymer/Verbundmaterialien werden in breitem Umfang für Strukturmaterialien und eine Vielfalt anderer Anwendungen verwendet. Die unter Verwendung der hierin offenbarten Verfahren hergestellten derivatisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen können in Kombination mit bestehenden Polymermaterialien verwendet werden, um neue Polymer/Verbundmaterialien zu schaffen. Allgemein könnten mögliche Verbundmaterialien mit chemisch modifizierten Nanoröhrchen und Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren und anderen hergestellt werden. Es gibt eine Vielzahl von Abwandlungen in der chemischen Struktur der Polymermatrix, d.h. Polyethylen, verschiedene Epoxyharze, Polypropylen, Polycarbonat, etc. Es gibt auch eine Unmenge möglicher Abwandlungen bei den chemischen Gruppen, die an den Nanoröhrchen befestigt werden können. Dementsprechend ist es möglich, ein spezielles Polymer und eine spezielle Gruppe auszuwählen, um die Eigenschaften des bestimmten gewünschten Polymer/Verbundmaterials zu verbessern.Polymer materials and polymer / composite materials are widely used for Structural materials and a variety of other uses are used. Those made using the methods disclosed herein Derivatized carbon nanotubes can be used in combination with existing ones Polymer materials are used to make new polymer / composite materials to accomplish. Generally could possible composite materials with chemically modified nanotubes and thermoplastics, thermosets, elastomers and others become. There are a variety of chemical modifications Structure of the polymer matrix, i.e. Polyethylene, various epoxy resins, Polypropylene, polycarbonate, etc. There are also tons of possible ones Variations in the chemical groups attached to the nanotubes can be. Accordingly, it is possible select a particular polymer and group to make the Properties of the particular desired Improve polymer / composite material.
So wird das Polymer/Verbundmaterial beträchtlich verbesserte Eigenschaften haben, wie beispielsweise eine erhöhte Festigkeit und/oder Leitfähigkeit. Und bei Modifizierung mit geeigneten chemischen Gruppen sind die Nanoröhrchen chemisch mit der Polymermatrix verträglich, was eine Übertragung der Eigenschaften der Nanoröhrchen (insbesondere mechanische Festigkeit) auf die Eigenschaften des Verbundmaterials insgesamt erlaubt. Um dies zu erreichen, können die modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen typischerweise sorgfältig mit dem Polymermaterial gemischt (physikalisch vermischt) werden und bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur reagieren lassen werden.For example, the polymer / composite material will have significantly improved properties, such as increased strength and / or conductivity. And when modified with suitable chemical groups, the nanotubes are chemically compatible with the polymer matrix, which means that the properties of the nanotubes (in particular mechanical strength) are transferred to the properties of the composite material allowed overall. To achieve this, the modified carbon nanotubes can typically be carefully mixed (physically mixed) with the polymer material and allowed to react at ambient or elevated temperature.
Duroplastethermosets
Es mag erwünscht sein, ein Polymer/Verbundmaterial
herzustellen, in dem die Kohlenstoff-Nanoröhrchen an vielen Punkten an
das Polymer (Duroplaste) chemisch gebunden sind. Dies kann beispielsweise
unter Verwendung eines Epoxyharzes gemacht werden. Epoxyharze sind
typischerweise aus zwei Anteilen, die in einem bestimmten Verhältnis gemischt
sind, zusammengesetzt. Das sich ergebende Gemisch wird dann über einen
gewissen Zeitraum hart oder "härtet aus" zu einem Klebstoff
oder zu einem Strukturmaterial. Die zwei Teile sind ein Epoxy-Anteil
(in
Es gibt eine breite Vielfalt im Handel
erhältlicher
Epoxy-Komponenten, bei denen die chemische Struktur beider Teile
A und B stark variieren kann. Beispielsweise können Härter auf Diaminen, Polymercaptanen, Phenol
enthaltenden Materialien, etc., basieren, und sie können polymer
sein. Der Zusatz von chemisch modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu
diesem Typ von System erhöht
stark die Festigkeit des sich ergebenden Materials wegen der Festigkeit
der Nanoröhrchen
selbst. Die Nanoröhrchen
können
chemisch mit Gruppen modifiziert werden, die entweder mit dem Epoxy-Teil
oder dem Härter-Teil
verträglich
sind. Beispielsweise können
modifizierte Nanoröhrchen
hergestellt werden wie in
Diese Arten von Materialien können unter
Verwendung einer Vielfalt von modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
wie durch die Beispiele in
Zusätzlich zu der chemischen Bindung
zwischen den Nanoröhrchen
und der umgebenden Polymermatrix gibt es im Falle von Thiophenol-derivatisierten
Nanoröhrchen
eine chemische Wechselwirkung zwischen den Nanoröhrchen selbst. Die Bildung
von Disulfid-Bindungen zwischen Nanoröhrchen, wie in
Eine andere Möglichkeit ist die Modifizierung
von Kohlenstoff-Nanoröhrchen
mit chemischen Gruppen, die anstatt mit dem Härter-Teil mit dem Epoxy-Teil
vereinbar sind, wie es beispielsweise in
Andere spezifische chemische Wechselwirkungen
zwischen modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen und einer Polymermatrix
sind ebenfalls möglich.
Beispielsweise ist in
Unter Verwendung des in dieser Erfindung
beschriebenen elektrochemischen Verfahrens wurden die in
Beispielsweise könnte ein Polymer/Verbundmaterial gewünscht werden, das reine (und underivatisierte) Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthält, so dass das Polymer bestimmte verbesserte Leitfähigkeitseigenschaften haben würde; die reinen und underivatisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen können sich jedoch in dem Polymer nicht ausreichend verteilen. Durch Derivatisieren der Nanoröhrchen mit einer bestimmten Gruppe könnten die derivatisierten Nanoröhrchen dann geeignet verteilt werden. Weil die Derivatisierung des Nanoröhrchens möglicherweise die Leitfähigkeit des Nanoröhrchens beeinträchtigt hat (und daher eine Wirkung auf die Leitfähigkeit des Polymer/Verbundmaterials haben wird), kann es wünschenswert sein, das Derivatisierungs-Verfahren umzukehren, um nach der Verteilung die funktionellen Gruppen von den Nanoröhrchen zu entfernen. Auf diese Weise kann die Leitfähigkeit des Materials zurückgewonnen werden. Dies kann durch irgendein Verfahren gemacht werden, das die Derivatisierung umkehrt, wie ein Erhöhen der Temperatur des Polymer/Vebundmaterials auf eine Temperatur, bei der die funktionelle Gruppe dissoziiert. Typischerweise scheint diese Temperatur mindestens etwa 250°C zu sein.For example, a polymer / composite material required containing pure (and underivatized) single-wall carbon nanotubes, so that the polymer has certain improved conductivity properties would; the pure and underivatized carbon nanotubes can however, do not distribute sufficiently in the polymer. By derivatizing of the nanotubes with a certain group the derivatized nanotubes then be distributed appropriately. Because the derivatization of the nanotube possibly the conductivity of the nanotube impaired has (and therefore an effect on the conductivity of the polymer / composite material it may be desirable be to reverse the derivatization process to after distribution to remove the functional groups from the nanotubes. To this Way, the conductivity of the material recovered become. This can be done by any method that the derivatization reverses, such as increasing the temperature of the polymer / composite to a temperature at which the functional group dissociates. Typically this temperature appears to be at least about 250 ° C.
A. Beispiele Nr. 19 bis 25A. Examples No. 19 to 25
Darüber hinaus kann der Thermoplast auch unter Verwendung des derivatisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchens hergestellt werden. Die funktionellen Gruppen würden, während sie nicht notwendigerweise chemisch an das Polymer gebunden sind, sich von dem Röhrchen weg erstreckende physikalische Verlängerungen sein (wie Zweige eines Baumes), die den Polymer/Verbundmaterialien zusätzliche Festigkeit geben. Diese Verbesserung kann an einer Aufrauwirkung an der Nanoröhrchen-Oberfläche, die die Reibung erhöht und das Gleiten der Polymermatrix entlang der Länge der Nanoröhrchen verringert, liegen. Es versteht sich in der Technik, dass eine solche Wirkung eine weitere Übertragung der wünschenswerten Nanoröhrchen-Eigenschaften auf das Verbundmaterial ermöglicht.In addition, the thermoplastic also using the derivatized carbon nanotube getting produced. The functional groups would, while not necessarily chemically bound to the polymer, away from the tube extending physical extensions be (like branches of a tree) that the polymer / composite materials additional Give firmness. This improvement can be due to a roughening effect on the nanotube surface, the the friction increases and reduces the sliding of the polymer matrix along the length of the nanotubes. It is understood in technology that such an effect is another transmission the desirable Nanotube properties the composite material enables.
Unter Verwendung von oben diskutierten
Verfahren wurden die folgenden funktionalisierten Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt,
worin n = 1 funktionelle Gruppe von 20 bis 1 funktionelle Gruppe von
40 Nanoröhrchen-Kolenstoffen: 
Dieses derivatisierte Material (17) wurde in hochschlagfestem Polystyrol CHIPS, High-Impact-Polystyrene) in verschiedenen Konzentrationen verteilt. Dann wurden von dem sich ergebenden Verbundmaterial Daten zu Zugfestigkeit, Zugmodul und Prozent Bruchdehnung erfasst. Die Ergebnisse dieser Beispiele sind in Tabelle 3 wiedergegeben.This derivatized material (17) was made in high-impact polystyrene CHIPS, high-impact polystyrene) distributed in different concentrations. Then that became resulting composite material data on tensile strength, tensile modulus and Percent elongation at break recorded. The results of these examples are reproduced in Table 3.
Tabelle
3 
Insgesamt gibt es eine wesentliche Verbesserung der Zugeigenschaften des Polymer-Verbundmaterials mit den funktionalisierten Nanoröhrchen. Es gibt eine Verbesserung sowohl gegenüber dem unveränderten HIPS-Polymer als auch gegenüber dem Verbundmaterial aus HIPS und nicht funktionalisierten Nanoröhrchen.Overall, there is one major one Improvement of the tensile properties of the polymer composite material with the functionalized nanotubes. There is an improvement over both the unchanged HIPS polymer as well as opposite the composite material made of HIPS and non-functionalized nanotubes.
Polymerisierungpolymerization
Außerdem kann ein Polymer, das
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
enthält,
durch Derivatisieren der Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer funktionellen
Gruppe, die in der Lage ist, zu polymerisieren oder eine Polymerisierung
auszulösen,
hergestellt werden. Wenn die funktionelle Gruppe einmal befestigt
ist, dann können
Standard-Polymerisationstechniken eingesetzt werden, um das Polymer
von der funktionellen Gruppe in situ wachsen zu lassen. Das heißt, die
an dem Nanoröhrchen
befestigte funktionelle Gruppe könnte
als ein Erzeuger von Polymerwachstum verwendet werden. Solche Standard-Polymerisationstechniken
könnten
irgendwelche der bekannten Standard-Typen sein, wie radikalische,
kationische, anionische, Kondensations-, Ringöffnungs-, Metathese- oder Ringöffnungs-Metathese
(ROMP, ring-opening-metathesis polymerization)-Polymerisationen,
wenn passende Gruppen an die Nanoröhrchen gebunden sind. Beispielsweise
gibt
Alle der hierin offenbarten und beanspruchten Zusammensetzungen und Verfahren können im Licht der vorliegenden Offenbarung ohne unzumutbares Experimentieren hergestellt und ausgeführt werden. Während die Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung in Form von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurden, wird es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sein, dass an den hierin beschriebenen Zusammensetzungen und Verfahren und an den Schritten oder der Folge von Schritten des Verfahrens Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Konzept, Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Genauer wird es offenkundig sein, dass bestimmte Mittel, die sowohl chemisch als auch physiologisch verwandt sind, an Stelle der hierin beschriebenen Mittel eingesetzt werden können, während dieselben oder ähnliche Ergebnisse erhalten werden. Alle derartigen ähnlichen Ersatzmittel und Abwandlungen, die für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sind, werden als innerhalb des Geistes, Umfangs und Konzepts der Erfindung, wie sie durch die angefügten Ansprüche definiert ist, liegend betrachtet.All of those disclosed and claimed herein Compositions and methods can be seen in the light of the present Revelation can be made and carried out without undue experimentation. While the compositions and methods of this invention in the form of described preferred embodiments were, it will be for Those skilled in the art will appreciate that the compositions described herein and procedures and on the steps or sequence of steps the procedure changes carried out can be without departing from the concept, spirit and scope of the invention. More accurate it will be apparent that certain agents that are both chemical as well as physiologically related, instead of those described herein Funds can be used while the same or similar Results will be obtained. All such similar substitutes and modifications, the for Professionals in the field are considered to be within of the spirit, scope and concept of the invention as defined by the appended Expectations is defined, viewed horizontally.
ZusammenfassungSummary
Die Erfindung umfasst neue Verfahren zur chemischen Modifizierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Derartige Verfahren beinhalten die Derivatisierung von Mehrwand- und Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen, einschließlich Einwand-Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit kleinem Durchmesser (ca. 0,7 nm), mit Diazonium-Spezies. Das Verfahren erlaubt die chemische Bindung einer Vielfalt organischer Verbindungen an die Seite und die Enden von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese chemisch modifizierten Nanoröhrchen haben Anwendung in Polymer-Verbundmaterialien, molekularelektronischen Anwendungen und Sensor-Vorrichtungen. Die Verfahren zur Derivatisierung umfassen elektrochemisch induzierte Reaktionen, thermisch induzierte Reaktionen (über Insitu-Erzeugung von Diazonium-Verbindungen oder vorab hergestellte Diazonium-Verbindungen) und fotochemisch induzierte Reaktionen. Die Derivatisierung bewirkt signifikante Veränderungen der spektroskopischen Eigenschaften der Nanoröhrchen. Der bestimmte Funktionalitätsgrad ist ca. 1 eine funktionelle Gruppe tragender Kohlenstoff aus jeweils 20 bis 30 Kohlenstoffen in einem Nanoröhrchen. Derartige elektrochemische Reduktionsverfahren können angepasst werden, um eine ortsspezifische chemische Funktionalisierung von Nanoröhrchen anzuwenden. Darüber hinaus sind die derivatisierten Nanoröhrchen, wenn sie mit geeigneten chemischen Gruppen modifiziert sind, mit einer Polymermatrix chemisch verträglich, was eine Übertragung der Eigenschaften der Nanoröhrchen (wie mechanische Festigkeit oder elektrische Leitfähigkeit) auf die Eigenschaften des Verbundmaterials insgesamt erlaubt. Bei Modifizierung mit geeigneten chemischen Gruppen können die Gruppen außerdem unter Bildung eines Polymers, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthält, polymerisiert werden.The invention encompasses new methods for the chemical modification of carbon nanotubes. Such methods involve the derivatization of multi-wall and single-wall carbon nanotubes, including small diameter (about 0.7 nm) single-wall carbon nanotubes, with diazonium species. The process allows a variety of organic compounds to be chemically bonded to the side and ends of carbon nanotubes. These chemically modified nanotubes have applications in polymer composite materials, molecular electronics applications and sensor devices. The derivatization methods include electrochemically induced reactions, thermally induced reactions (via in situ generation of diazonium compounds or pre-made diazonium compounds), and photochemically induced reactions. The derivatization causes significant changes in the spectroscopic properties of the nanotubes. The degree of functionality determined is approx. 1 carbon bearing a functional group of 20 to 30 carbons each in a nanotube. Such electrochemical reduction processes can be adapted to use a site-specific chemical functionalization of nanotubes. In addition, the derivatized nanotubes, when modified with suitable chemical groups, are chemically compatible with a polymer matrix, which allows the properties of the nanotubes (such as mechanical strength or electrical conductivity) to be transferred to the properties of the composite material as a whole. When modified with suitable chemical groups, the groups can also be polymerized to form a polymer containing carbon nanotubes.
(
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