Living Suzuki–Miyaura Catalyst-Transfer Polymerization for Precision Synthesis of Length-Controlled Armchair Graphene Nanoribbons and Their Block Copolymers

分散性 化学 聚合 共聚物 单体 催化作用 接受者 轨道能级差 炔烃 石墨烯纳米带 高分子化学 聚合物 石墨烯 纳米技术 材料科学 分子 有机化学 物理 凝聚态物理
作者
Jaeho Lee,Hanseul Ryu,Songyee Park,Minyoung Cho,Tae‐Lim Choi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (28): 15488-15495 被引量:16
标识
DOI:10.1021/jacs.3c04130
摘要

The bottom-up synthesis of graphene nanoribbons (GNRs) offers a promising approach for designing atomically precise GNRs with tuneable photophysical properties, but controlling their length remains a challenge. Herein, we report an efficient synthetic protocol for producing length-controlled armchair GNRs (AGNRs) through living Suzuki-Miyaura catalyst-transfer polymerization (SCTP) using RuPhos-Pd catalyst and mild graphitization methods. Initially, SCTP of a dialkynylphenylene monomer was optimized by modifying boronates and halide moieties on the monomers, affording poly(2,5-dialkynyl-p-phenylene) (PDAPP) with controlled molecular weight (Mn up to 29.8k) and narrow dispersity (Đ = 1.14-1.39) in excellent yield (>85%). Subsequently, we successfully obtained N = 5 AGNRs by employing a mild alkyne benzannulation reaction on the PDAPP precursor and confirmed their length retention by size-exclusion chromatography. In addition, photophysical characterization revealed that a molar absorptivity was directly proportional to the length of the AGNR, while its highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level remained constant within the given AGNR length. Furthermore, we prepared, for the very first time, N = 5 AGNR block copolymers with widely used donor or acceptor-conjugated polymers by taking advantage of the living SCTP. Finally, we achieved the lateral extension of AGNRs from N = 5 to 11 by oxidative cyclodehydrogenation in solution and confirmed their chemical structure and low band gap by various spectroscopic analyses.
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