《以多芳基吡咯為基元構築化學摻雜型石墨烯》是依託北京理工大學，由佟斌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：以多芳基吡咯為基元構築化學摻雜型石墨烯
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：佟斌
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
石墨烯因其二維結構賦予其特殊的性能，是納米材料新的研究領域。如果能實現對石墨烯有效、可控摻雜，將提高石墨烯的半導體/導體性能。本申請在前期工作的基礎之上，以多芳基取代吡咯為基本構築單元，結合Diels-Alder環加成反應，合成氮含量與位置可預設、結構外邊緣可功能化、溶解性良好的化學摻雜型石墨烯，並通過分子內成環反應引入噻吩環以構築硫、氮雙摻雜新型石墨烯。該申請將借鑑有機內環化的研究成果，重點解決合成過程中的分子內環化幾率、溶解性和後功能化問題，並開發套用於全芳香高分子的內環化反應新型催化體系，闡明化學結構、分子尺寸與形態、缺陷位置與缺陷度對化學摻雜型石墨烯性能的影響規律；並探索引入吡啶或噻吩基團的最佳途徑，使化學摻雜型石墨烯能夠兼有n和p型半導體特性，進而賦予其特殊的性能，探索其在微電子、化學與生物感測器領域的套用，以促進二維結構石墨烯基礎理論、合成方法與套用的發展。
結題摘要
石墨烯因其二維結構賦予其特殊的性能，是納米材料新的研究領域。如果能實現對石墨烯有效、可控摻雜，將提高石墨烯的半導體/導體性能。本項目以多芳基取代吡咯為基本構築單元，以設計、合成以吡咯為核、氮嵌入位置與含量可調、結構外邊緣可功能化的化學摻雜型石墨烯為研究目標；在研究含氮摻雜石墨烯的化學合成方法的同時，開發套用於大尺度芳香族高分子內環化反應的催化劑體系，探索其在微電子、化學與生物感測器領域的套用。 按照研究計畫合成了不含取代基的五苯基吡咯，在FeCl3為催化劑的條件下，欲實現相鄰五個苯環的分子內環化，然而實驗結果表明只能實現部分苯環之間的內環化，得到的不同環化程度混合物，難以分離純化，要全部內環化存在比較大的難度。為此我們在苯環上引入羧基的形式，在改進多芳基取代吡咯化合物，特別是內環化後的溶解性同時，利用其較強的拉電子特性，增加苯環上與吡咯環最臨近的氫的化學反應活性，使內環化能夠較容易進行。為實現這一目標，我們設計合成了三、四、五（4-羧基）苯吡咯系列化合物，並對其性質進行逐一研究，為設計更大共軛結構化合物奠定基礎。所取得的進展如下： 1. 1,2,5-三苯基吡咯羧基化合物的分子設計及合成。吡咯1位苯環對位為羧酸鈉鹽時具有聚集誘導發光特性（AIE），而且可以套用於對鋁離子的特異性、高靈敏檢測。吡咯2,5位苯環對位為羧酸鈉鹽時不具有AIE特性，但對於氨水最為敏感，體現了良好的選擇性。1,2,5-三(4-羧酸鈉鹽)苯基吡咯具有非常明顯的AIE現象，可以實現對Al3+高靈敏、高選擇性的實時點亮檢測。與1位苯基單取代羧酸鈉鹽相比：對鋁離子的定量檢測範圍由1-10 μM增加為5-120 μM，回響時間由100 s降低為10 s。 2. 當吡咯1位苯環對位為羧酸時，研究結果表明由於羧酸分子間的氫鍵作用導致該化合物沒有聚集誘導發光特性，溶劑DMF可以破壞TPPA分子間的氫鍵作用，DMF誘導結晶不僅具有較好的溫度選擇性，而且回響迅速，並可以循環利用。 3. 三和四（4-羧基）苯取代吡咯化合物的合成基本沒有太大的難度，而五(4-羧基)苯吡咯的合成開始較難，收率很低，經過最佳化反應條件，產率明顯提高，為進一步的環化反應奠定了基礎，相關的研究工作正在進行中。
