Pressure-driven solid-state radical polymerization toward carbon nanothread

圧力駆動型固相ラジカル重合によるカーボンナノスレッドの合成

Che, G.*; Tang, X.*; Liu, J.*; Lang, P.*; Fei, Y.*; Yang, X.*; Wang, Y.*; Gao, D.*; Wang, X.*; Ju, J.*; Guan, A.*; Xiang, J.*; Dong, X.*; 服部 高典   ; 阿部 淳*; Zheng, H.*; Li, K.*

Che, G.*; Tang, X.*; Liu, J.*; Lang, P.*; Fei, Y.*; Yang, X.*; Wang, Y.*; Gao, D.*; Wang, X.*; Ju, J.*; Guan, A.*; Xiang, J.*; Dong, X.*; Hattori, Takanori; Abe, Jun*; Zheng, H.*; Li, K.*

機械化学的ラジカル重合は、溶媒消費量の削減と不溶性モノマーへの適応性により、ポリマー合成において独自の利点を有する。しかしながら、反応中に生成ポリマーが制御不能に分解するという課題があり、精密な制御性を備えた新たな合成戦略の開発が求められている。本研究では、最大30GPaの高静圧を適用することで、1,3,5-トリフルオロベンゼンが共役結合を切断するラジカル重合を起こし、高選択性でカーボンナノスレッド(ポリマーI多形体)を形成することを発見した。閾値圧力における結晶構造と結合経路の計算エネルギー障壁に基づき、ベンゼン環が1-2ラジカル重合経路で反応すると結論付けた。本研究は、極めて安定な芳香族化合物に対しても固相ラジカル重合を開始する堅牢な手法として高圧が有効であることを示し、高選択性を持つ炭素系高分子材料の合成に向けた新たな知見を提供する。

Mechanochemical radical polymerization has unique advantages in the synthesis of polymer due to its reduced solvent consumption and adaptability of insoluble monomers. However, it suffers from the uncontrollable degradation of the formed polymers during reaction and new synthetic strategy with precise controllability needs to be developed. Here, by employing high static pressure up to 30 GPa, we found 1,3,5-trifluorobenzene undergoes radical polymerization by breaking the conjugated -bonds, and forms a carbon nanothread with high selectivity (Polymer-I polymorph). Based on the crystal structure at the threshold pressure and the calculated energy barriers for the bonding pathway, we concluded that the benzene-rings react via a 1-2 radical polymerization pathway. Our work highlights high pressure is a robust method to initiate the solid-state radical polymerization, even for very stable aromatics, and offers fresh insights for the synthesis of polymeric carbon-based materials with high selectivity.