Pressure-induced Diels-Alder reactions in CH - CF cocrystal towards graphane structure

CH-CF共結晶のグラフェン構造への圧力誘起ディールス・アルダー反応

Wang, Y.*; Dong, X.*; Tang, X.*; Zheng, H.*; Li, K.*; Lin, X.*; Fang, L.*; Sun, G.*; Chen, X.*; Xie, L.*; Bull, C. L.*; Funnell, N. P.*; 服部 高典   ; 佐野 亜沙美   ; Chen, J.*; Hensley, D. K.*; Cody, G. D.*; Ren, Y.*; Lee, H. H.*; Mao, H.-K.*

Wang, Y.*; Dong, X.*; Tang, X.*; Zheng, H.*; Li, K.*; Lin, X.*; Fang, L.*; Sun, G.*; Chen, X.*; Xie, L.*; Bull, C. L.*; Funnell, N. P.*; Hattori, Takanori; Sano, Asami; Chen, J.*; Hensley, D. K.*; Cody, G. D.*; Ren, Y.*; Lee, H. H.*; Mao, H.-K.*

芳香族の圧力誘起重合反応(PIP)は、sp炭素骨格を構築するための新しい方法であり、ベンゼンとその誘導体を圧縮することによってダイヤモンド様構造を有するナノスレッドを合成した。ここで、ベンゼン-ヘキサフルオロベンゼン共結晶(CHCF)を圧縮することにより、PIP生成物中に層状構造を有するH-F置換グラフェンを同定した。その場中性子回折から決定された結晶構造およびガスクロマトグラフィー質量スペクトルによって同定された中間生成物に基づいて、20GPaでは、CHCFがベンゼンおよびヘキサフルオロベンゼンを交互に積み重ねた傾斜カラムを形成し、それらが[4+2]重合体に転化し、次いで、短距離秩序を持つ水素化フッ素化グラフェンに変化する。反応プロセスは[4+2]ディールス-アルダー, レトロディールス-アルダー、および1-1'カップリング反応を含み、前者はPIPの重要な反応である。われわれの研究は、CHCFの素反応を初めて確認した。これは、芳香族化合物のPIPについての新しい見方を提供する。

Pressure-induced polymerization (PIP) of aromatics is a novel method to construct sp-carbon frameworks, and nanothreads with diamond-like structures were synthesized by compressing benzene and its derivatives. Here by compressing benzene-hexafluorobenzene cocrystal(CHCF), we identified H-F-substituted graphane with a layered structure in the PIP product. Based on the crystal structure determined from the in situ neutron diffraction and the intermediate products identified by the gas chromatography-mass spectrum, we found that at 20 GPa CHCF forms tilted columns with benzene and hexafluorobenzene stacked alternatively, which leads to a [4+2] polymer, and then transfers to short-range ordered hydrogenated-fluorinated graphane. The reaction process contains [4+2] Diels-Alder, retro-Diels-Alder, and 1-1' coupling, and the former is the key reaction in the PIP. Our studies confirmed the elemental reactions of the CHCF for the first time, which provides a novel insight into the PIP of aromatics.