[发明专利]胺基咔唑桥连分子镊及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及含胺基咔唑桥连分子镊制备方法，本发明还涉及利用分子镊选择性分离窄直径分布单壁碳纳米管的方法。

背景技术

单壁碳纳米管(SWNTs)具有优异的电学性质和超强的力学性能，在光电器件、复合材料、传感器等领域显示出广阔的应用前景。

当前条件下，石墨电弧法和化学气相沉淀法(CVD)等制备方法合成的单壁碳纳米管均为粗细各异、多(n,m)组分的混合物。而且，有些制备方法所得的产物中还混合各种杂质，如富勒烯、无定形碳、碳纳米球及催化剂颗粒等。这些杂质和多(n,m)组分极大地限制了单壁碳纳米管的物性研究和实际应用。如何将碳纳米管进行有效的分离，制备单一(n,m)组分或窄直径分布碳管，这已成为当前碳纳米管研究的热点之一。

研究人员通常采用密度梯度离心分离法、聚合物缠绕法和稠环小分子吸附法等方法对碳纳米管直径选择性分离。(1)密度梯度离心分离法。Hersam等[M.S.Arnold,A.A.Green,J.F.Hulvat,S.I.Stupp and M.C.Hersam.Nature Nanotechnology,2006,1,60－65.]使用密度梯度离心法成功实现窄直径分布碳纳米管的分离。该方法具有分离纯度高、技术方案成熟、稳定性好等优点；但是存在实验步骤复杂、分离成本高、碳纳米管的利用率低等缺点。(2)聚合物缠绕法。Nicholas等[A.Nish,J.Hwang,J.Doig and R.J.Nicholas.Nature Nanotechnology,2007,2,640－646.]利用聚合物对碳纳米管进行表面修饰，选择性分离不同直径的碳纳米管。由于聚合物在碳纳米管表面吸附和缠绕非常稳定，很难除去，极大限定碳纳米管的应用领域。(3)稠环小分子吸附法。近年来，小分子选择性分离碳纳米管的研究得到人们的广泛关注。研究人员可以设计并合成各种形状的主体分子分离不同碳纳米管；通过简单的洗涤将主体分子从碳管表面移除，保持碳纳米管电子结构的完整性。然而，稠环小分子具有刚性结构，导致该类分子溶解性差，形成的碳纳米管复合物稳定性较差。

因此，依然需要设计和合成新型结构的稠环小分子，特别是具有分子镊结构特点的稠环小分子，提高其溶解性和加强与碳纳米管的相互作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种含胺基咔唑桥连分子镊，利用胺基修饰的咔唑桥连分子镊，加强其在极性溶剂中的溶解性，通过分子镊形状匹配效应与π-π堆积作用，选择性分离大量直径约为0.9nm的单壁碳纳米管。

本发明的目的还在于提供所述的含胺基咔唑桥连分子镊的制备方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：胺基咔唑桥连分子镊，其具有如下通式所表示的化学结构式：

其中，Ar是稠环芘基；n＝1－15；R₁、R₂为碳数为1－6的烷基链。

通过改变稠环芘基单元Ar，研究分子摄构型与纯化的碳纳米管的直径分布的关系，从而制备多种窄直径分布的碳纳米管。

按上述方案，所述的稠环芘基单元为以下结构通式中的任意一种：

胺基咔唑桥连分子镊的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：

1)以3,6-二溴咔唑作为反应原料，在碱性条件下，通过与过量的胺基化合物反应，得到不同的胺基咔唑二溴物；

2)以步骤(1)所得的胺基咔唑二溴物为原料，通过钯催化偶联反应引入刚性稠环芘基单元，得到不同的目标产物。

按上述方案，所述钯催化偶联反应引入刚性稠环芘基单元是指胺基咔唑二溴物在惰性气体保护下，反应温度范围在80－110℃，反应时间范围在2－48小时，使用四(三苯基膦)钯作为催化剂的反应。

本发明所述的胺基咔唑桥连分子镊的应用方法，其特征在于：取1重量份的待分离单壁碳纳米管和0.5－2重量份的胺基咔唑桥连分子镊，将其加入醇类有机溶剂中，进行超声分散，使胺基咔唑桥连分子镊充分吸附分离的单壁碳纳米管，然后去除沉淀保留清液，再将悬浮清液中的碳纳米管离心分离出来，用四氢呋喃数次洗涤除去单壁碳纳米管上吸附的分子镊，得到窄直径分布的0.1重量份分离后单壁碳纳米管。

按上述方案，所述的醇类有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或乙二醇。

按上述方案，所述的超声分散时间为1－72小时；离心的速度为10000－50000g，离心时间为1－72小时。