Distance-selected topochemical dehydro-diels-alder reaction of 1,4-Diphenylbutadiyne toward crystalline graphitic nanoribbons

1,4-ジフェニルブタジエンの結晶性グラファイトナノリボンへの距離選択的トポケミカル ディールス・アルダー反応

Zhang, P.*; Tang, X.*; Wang, Y.*; Wang, X.*; Gao, D.*; Li, Y.*; Zheng, H.*; Wang, Y.*; Wang, X.*; Fu, R.*; Tang, M.*; 池田 一貴*; Miao, P.*; 服部 高典   ; 佐野 亜沙美   ; Tulk, C. A.*; Molaison, J. J.*; Dong, X.*; Li, K.*; Ju, J.*; Mao, H.-K.*

Zhang, P.*; Tang, X.*; Wang, Y.*; Wang, X.*; Gao, D.*; Li, Y.*; Zheng, H.*; Wang, Y.*; Wang, X.*; Fu, R.*; Tang, M.*; Ikeda, Kazutaka*; Miao, P.*; Hattori, Takanori; Sano, Asami; Tulk, C. A.*; Molaison, J. J.*; Dong, X.*; Li, K.*; Ju, J.*; Mao, H.-K.*

固体トポケミカル重合(SSTP)は機能的な結晶性高分子材料を合成するための有望な方法であるが、溶液中で起こるさまざまな反応とは対照的に、非常に限られたタイプのSSTP反応しか報告されていない。ディールス・アルダー(DA)および脱水素-DA(DDA)反応は、溶液中で六員環を作るための教科書的反応であるが、固相合成ではほとんど見られない。本研究では、固体の1,4-ジフェニルブタジイン(DPB)を10-20GPaに加圧することで、フェニル基がジエノフィルとして、DDA反応することを複数の最先端の手法を用いて明らかにした。臨界圧力での結晶構造は、この反応が「距離選択的」であることを示している。つまり、フェニルとフェニルエチニル間の距離3.2は、DDA反応は起こせるが、他のDDAや1,4-付加反応で結合を形成するには長すぎる。回収された試料は結晶性の肘掛け椅子型のグラファイトナノリボンであるため、今回の研究結果は、原子スケールの制御で結晶質炭素材料を合成するための新しい道を開く。

Solid-state topochemical polymerization (SSTP) is a promising method to construct functional crystalline polymeric materials, but in contrast to various reactions that happen in solution, only very limited types of SSTP reactions are reported. Diels-Alder (DA) and dehydro-DA (DDA) reactions are textbook reactions for preparing six-membered rings in solution but are scarcely seen in solid-state synthesis. Here, using multiple cutting-edge techniques, we demonstrate that the solid 1,4-diphenylbutadiyne (DPB) undergoes a DDA reaction under 10-20 GPa with the phenyl as the dienophile. The crystal structure at the critical pressure shows that this reaction is "distance-selected". The distance of 3.2 between the phenyl and the phenylethynyl facilitates the DDA reaction, while the distances for other DDA and 1,4-addition reactions are too large to allow the bonding. The obtained products are crystalline armchair graphitic nanoribbons, and hence our studies open a new route to construct the crystalline carbon materials with atomic-scale control.