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Chemiekongress 2019: Die Chemie von Graphen und seinen anorganischen Analoga - Zdenek Sofer

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 Die Chemie von Graphen hat sich im letzten Jahrzehnt rasant entwickelt und es wurde eine breite Palette von Graphenderivaten hergestellt. Dennoch sind derzeit nur zwei stöchiometrische Derivate bekannt: hydriertes und fluoriertes Graphen (Graphan und Fluorgraphen). Im Vergleich zu Graphen weisen diese Materialien deutlich andere Eigenschaften auf, z. B. eine höhere Reaktivität sowie große Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften. Insbesondere Fluorgraphen kann als Substrat für nukleophile Substitutionsreaktionen verwendet werden, die die möglichen chemischen Modifikationen von Graphen deutlich erweitern. Derzeit beginnt man, die Chemie der anderen 2D-Materialien zu erforschen. Die Chemie anorganischer 2D-Materialien wie Pniktogene und Übergangsmetalldichalkogenide ist jedoch noch nicht gut bekannt und es wurden bereits nur einige Verfahren gemeldet. Im Vergleich zu Graphen müssen neue synthetische Protokolle angewendet werden, da die Chemie dieser Materialien extrem variabel ist. Im Fall von Übergangsmetalldichalkogeniden kann die Bildung der MXC-Bindung (M ist ein Metall, X ist ein beliebiges Chalkogenid) als Ausgangspunkt zur Erforschung ihrer Chemie und für weitere Derivatisierungen verwendet werden. Die Chemie geschichteter Pniktogene unterscheidet sich erheblich. In diesem Fall können verschiedene Reaktionen, einschließlich nukleophiler Substitution, angewendet werden, in den meisten Fällen wird jedoch die Bindung über die Sauerstofffunktionen auf der Pniktogenoberfläche beobachtet. Graphen ist die einzige Art von Kohlenstoff (oder festem Material), bei dem jedes Atom für eine Reaktion von zwei Seiten verfügbar ist (aufgrund der 2D-Struktur). Atome an den Rändern einer Graphenschicht haben eine besondere chemische Reaktivität. Graphen hat das beste Verhältnis von Randatomen aller Allotrope. Defekte innerhalb einer Schicht erhöhen seine chemische Reaktivität. Die Anfangstemperatur der Reaktion zwischen der Basalebene von einschichtigem Graphen und Sauerstoffgas liegt unter 260 °C (530 K). Graphen verbrennt bei 350 °C (620 K). Graphen wird üblicherweise mit sauerstoff- und stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen modifiziert und mittels Infrarotspektroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie analysiert. Die Bestimmung der Strukturen von Graphen mit sauerstoff- und stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen erfordert jedoch eine Kontrolle der Strukturen. Im Gegensatz zur perfekten 2D-Struktur von Graphen erfordern chemische Anwendungen von Graphen entweder strukturelle oder chemische Unregelmäßigkeiten, da perfekt flaches Graphen chemisch inert ist. Mit anderen Worten: Die Definition von perfektem Graphen ist in Chemie und Physik unterschiedlich. Lösliche Graphenfragmente werden oft im Labor durch chemische Modifikation von Graphit hergestellt. Zunächst wird mikrokristalliner Graphit mit einer sauren Mischung aus Vitriol und Aqua fortis behandelt. Eine Reihe von Oxidations- und Exfolierungsschritten erzeugt kleine Graphenplatten mit Carboxylgruppen an ihren Rändern. Diese werden durch Behandlung mit Thionylchlorid in Säurechloridgruppen umgewandelt; anschließendSie werden durch Behandlung mit Octadecylamin in das entsprechende Graphenamid umgewandelt. Das resultierende Material ist in Tetrahydrofuran, Tetrachlormethan und Dichlorethan löslich. Nukleinsäureanaloga sind Verbindungen, die analog (strukturell ähnlich) zu vorhandener RNA und DNA sind und in der Medizin und in der biologischen Forschung verwendet werden. Nukleinsäuren sind Ketten von Nukleotiden, die aus drei Teilen bestehen: einem Phosphatrückgrat, einem Pentosezucker, entweder Ribose oder Desoxyribose, und einer von vier Nukleobasen. Ein Analogon kann jede dieser Veränderungen aufweisen. Typischerweise verleihen die analogen Nukleobasen unter anderem unterschiedliche Basenpaarungs- und Basenstapelungseigenschaften. Beispiele umfassen universelle Basen, die sich mit allen vier kanonischen Basen paaren können, und Phosphatzuckerrückgrat-Analoga wie PNA, die die Eigenschaften der Kette beeinflussen (PNA kann sogar eine Dreifachhelix bilden). Makromolekülanaloga werden auch als Xeno-Makromoleküle bezeichnet und stellen einen der Grundpfeiler der Xenobiologie dar, der Entwicklung neuer Lebensformen, die alternative Biochemien unterstützen. Künstliche Makromoleküle umfassen Peptidnukleinsäure (PNA), Morpholino- und gesperrte Makromoleküle (LNA), auch als Glykolmakromoleküle (GNA) und Threosemakromoleküle (TNA) bekannt. Jedes davon unterscheidet sich von vorhandener DNA oder RNA durch Änderungen am Rückgrat des Moleküls. Anorganische Polymere sind Polymere mit einer Struktur, die keine Kohlenstoffatome im Rückgrat enthält. Polymere, die anorganische und organische Komponenten enthalten, werden manchmal als Hybridpolymere bezeichnet, und die meisten sogenannten anorganischen Polymere sind Hybridpolymere. Eines der einfachsten bekannten Beispiele ist Polydimethylsiloxan, auch allgemein als synthetischer Kautschuk bekannt. Anorganische Polymere bieten einige Eigenschaften, die in organischen Materialien nicht zu finden sind, darunter Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, elektrische Leitfähigkeit und Nichtentflammbarkeit. Der Begriff anorganisches Polymer bezieht sich im Allgemeinen auf eindimensionale Polymere und nicht auf stark vernetzte Materialien wie Silikatmineralien. Anorganische Polymere mit anpassbaren oder reaktionsfähigen Eigenschaften werden manchmal als intelligente anorganische Polymere bezeichnet. Eine spezielle Klasse anorganischer Polymere sind Geopolymere, die anthropogen oder vorhanden sein können.die die Eigenschaften der Kette beeinflussen (PNA kann sogar eine Dreifachhelix bilden). Makromolekülanaloga werden auch Xeno-Makromoleküle genannt und stellen einen der Grundpfeiler der Xenobiologie dar, der Entwicklung neuer, in der Natur vorkommender Lebensformen, die alternative Biochemien unterstützen. Künstliche Makromoleküle umfassen Peptidnukleinsäure (PNA), Morpholino- und gesperrte Makromoleküle (LNA), auch Glykolmakromoleküle (GNA) und Threosemakromoleküle (TNA). Jedes davon unterscheidet sich von vorhandener DNA oder RNA durch Änderungen am Rückgrat des Moleküls. Anorganische Polymere sind Polymere mit einer Struktur, die keine Kohlenstoffatome im Rückgrat enthält. Polymere, die anorganische und organische Komponenten enthalten, werden manchmal als Hybridpolymere bezeichnet, und die meisten sogenannten anorganischen Polymere sind Hybridpolymere. Eines der einfachsten bekannten Beispiele ist Polydimethylsiloxan, das auch allgemein als synthetischer Kautschuk bekannt ist. Anorganische Polymere bieten einige Eigenschaften, die in organischen Materialien nicht zu finden sind, darunter Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, elektrische Leitfähigkeit und Nichtentflammbarkeit. Der Begriff anorganisches Polymer bezieht sich im Allgemeinen auf eindimensionale Polymere und nicht auf stark vernetzte Materialien wie Silikatmineralien. Anorganische Polymere mit anpassbaren oder reaktionsfähigen Eigenschaften werden manchmal als intelligente anorganische Polymere bezeichnet. Eine spezielle Klasse anorganischer Polymere sind Geopolymere, die anthropogen oder vorhanden sein können.die die Eigenschaften der Kette beeinflussen (PNA kann sogar eine Dreifachhelix bilden). Makromolekülanaloga werden auch Xeno-Makromoleküle genannt und stellen einen der Grundpfeiler der Xenobiologie dar, der Entwicklung neuer, in der Natur vorkommender Lebensformen, die alternative Biochemien unterstützen. Künstliche Makromoleküle umfassen Peptidnukleinsäure (PNA), Morpholino- und gesperrte Makromoleküle (LNA), auch Glykolmakromoleküle (GNA) und Threosemakromoleküle (TNA). Jedes davon unterscheidet sich von vorhandener DNA oder RNA durch Änderungen am Rückgrat des Moleküls. Anorganische Polymere sind Polymere mit einer Struktur, die keine Kohlenstoffatome im Rückgrat enthält. Polymere, die anorganische und organische Komponenten enthalten, werden manchmal als Hybridpolymere bezeichnet, und die meisten sogenannten anorganischen Polymere sind Hybridpolymere. Eines der einfachsten bekannten Beispiele ist Polydimethylsiloxan, das auch allgemein als synthetischer Kautschuk bekannt ist. Anorganische Polymere bieten einige Eigenschaften, die in organischen Materialien nicht zu finden sind, darunter Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, elektrische Leitfähigkeit und Nichtentflammbarkeit. Der Begriff anorganisches Polymer bezieht sich im Allgemeinen auf eindimensionale Polymere und nicht auf stark vernetzte Materialien wie Silikatmineralien. Anorganische Polymere mit anpassbaren oder reaktionsfähigen Eigenschaften werden manchmal als intelligente anorganische Polymere bezeichnet. Eine spezielle Klasse anorganischer Polymere sind Geopolymere, die anthropogen oder vorhanden sein können.