ナノプティアン

ナノキッド
名前
	推奨されるIUPAC名 2-(2,5-ビス(3,3-ジメチルブタ-1-イン-1-イル)-4-{[3,5-ジ(ペント-1-イン-1-イル)フェニル]エチニル}フェニル) -1,3-ジオキソラン
	その他の名前 1,3-ジオキソラン、2-[2,5-ビス(3,3-ジメチル-1-ブチン-1-イル)-4-[2-(3,5-ジ-1-ペンチン-1-イルフェニル)エチニル]フェニル]; ナノキッド; ナノプティアン;
識別子
CAS番号	618904-86-2 ;
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像;
ケムスパイダー	9528192 ;
パブケム CID	11353257;
ユニ	Y83XMS9542 ;
	笑顔 O1CCOC1c1c(C#CC(C)(C)C)cc(c(C#CC(C)(C)C)c1)C#Cc1cc(C#CCCC)cc(C#CCCC)c1;
プロパティ
化学式	Ｃ３９Ｈ４２Ｏ２
モル質量	542.763 グラムモル−1
	特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。確認する（何ですか？）インフォボックス参照

ナノプティアンとは、構造式が人間の形に似ている一連の有機分子のことである。^[1] ジェームズ・ツアーの研究グループは、2003年に若い学生のための化学教育シリーズの一環としてこれらの化合物を設計し、合成した。 ^[2]この化合物は、いくつかの炭素原子でつながった2つのベンゼン環を本体とし、手足を表す末端にアルキル基を持つ4つのアセチレン単位と、頭部となる1,3-ジオキソラン環から構成される。ツアーとライス大学の彼のチームは、ナノキッズ教育アウトリーチプログラムでナノプティアンを使用した。このプログラムの目的は、子供たちに科学を効果的かつ楽しい方法で教育することであった。彼らは、ナノプティアンを擬人化したアニメキャラクターとしてフィーチャーしたビデオをいくつか制作している。

構造の構築は、園頭カップリングやその他の合成技術に依存します。1,3-ジオキソラン基を適切な環構造に置き換えることで、NanoAthlete、NanoPilgrim、NanoGreenBeret など、さまざまなタイプのプティアンが合成されています。脚の端にチオール(R-SH) 官能基を配置すると、金の表面で「立つ」ことができます。

「ナノパティアン」は、化学物質の測定に一般的に使用される長さの単位であるナノメートルと、ジョナサン・スウィフトの小説『ガリバー旅行記』に登場する架空の人種であるリリパット人を組み合わせた造語です。

背景

ナノキッズ教育アウトリーチプログラム

ナノキッド分子やその既知の誘導体は、教室以外では化学的にも実用的にも利用されていませんが、ジェームズ・ツアーはナノキッドを生き生きとしたキャラクターに変えて、子供たちに科学を教えています。ナノキッドのウェブサイトに記載されているアウトリーチプログラムの目標は次のとおりです。

「分子レベルでの化学、物理学、生物学、材料科学に対する学生の理解を大幅に高めること。」
「ナノスケールの科学と新しい分子技術を教えるための概念的なツールを教師に提供する。」
「芸術と科学を組み合わせることで、多様な学習スタイルや興味を持つ生徒の学習を促進できることを実証する。」
「ナノテクノロジーに対する情報に基づいた関心を喚起し、この分野の研究への参加と資金提供を促進する。」^[3]

これらの目標を達成するために、いくつかのビデオクリップ、CD、および対話型コンピュータプログラムが作成された。トゥールと彼のチームは、このプロジェクトに25万ドル以上を投資した。この取り組みの資金を調達するために、トゥールは教授職からの無制限の資金と、ライス大学、ウェルチ財団、ナノテク企業ザイベックス、テキサスA&M大学からの小額助成金を使用した。トゥールはまた、2002年に国立科学財団の一部門である探索研究のための小額助成金プログラムから10万ドルを受け取った。^[4]

ビデオのメインキャラクターは、ナノキッドのアニメバージョンです。彼らはいくつかのビデオに出演し、周期表、DNA、共有結合などのさまざまな科学的概念を説明します。

ライス大学は、ナノキッズ教材の使用の有効性についていくつかの研究を行いました。これらの研究では、教室でのナノキッズ教材の使用は概ね肯定的な結果を示しました。2004～2005年にオハイオ州とケンタッキー州の2つの学区で行われた研究では、ナノキッズ教材の使用により、教材の理解度が10～59%向上したことがわかりました。さらに、82%の生徒がナノキッズ教材によって科学の学習がより面白くなったと感じていることがわかりました。^[5]

ナノキッドの合成

ナノキッドの上半身

NanoKidと名付けられた最初のNanoPutianを作成するために、1,4-ジブロモベンゼンを硫酸でヨウ素化した。次に、この生成物に、「アーム」、つまり3,3-ジメチルブチンをSonogashiraカップリングによって追加した。次に、有機リチウム試薬 n-ブチルリチウムを使用してこの構造をホルミル化し、続いてN,N-ジメチルホルムアミド（DMF）でクエンチしてアルデヒドを作成した。p-トルエンスルホン酸を触媒として使用してアルデヒドを保護するために、この構造に1,2-エタンジオールを追加した。当初、ChanteauとTourはこの構造をアルキンとカップリングすることを目指していたが、これにより目的の生成物の収率が非常に低かった。これを改善するために、リチウム-ハロゲン交換と1,2-ジヨードエタンを使用したクエンチによって臭化物をヨウ化物に置き換えた。これにより、NanoKidの上部本体の最終構造が作成されました。^[1]

ナノキッドの下半身

NanoPutian の下半身の合成は、ニトロアニリンを出発物質として開始します。酢酸中のBr _{2の添加により、}ベンゼン環に2 当量の臭素が配置されます。NH ₂は電子供与基で、NO _{2 は}電子吸引基であり、どちらも NO ₂置換基に対してメタ位に臭素化を誘導します。NaNO 2 、H 2 SO 4 、および EtOH の添加により、_NH 2置換 _基が _除去されます_。THF / EtOH 溶媒中の還元剤であるルイス酸SnCl ₂は、 NO _{2 をNH}₂に置き換え、その後NaNO ₂、H ₂ SO ₄ 、および KIの添加によりヨウ素に置き換えられ、3,5-ジブロモヨードベンゼンが生成されます。このステップでは、サンドマイヤー反応によって第一級アミノ基 (NH ₂ ) がジアゾニウム脱離基 (N ₂ ) に変換され、その後、これがヨウ素に置き換えられます。ヨウ素は、胃の結合に優れたカップリングパートナーとして機能し、トリメチルシリルアセチレンとの薗頭カップリングによって 3,5-ジブロモ (トリメチルシリルエチニル) ベンゼンが生成されます。脚の結合では、別の薗頭カップリングによって Br 置換基が 1-ペンチンに置き換えられ、3,5-(1′-ペンチニル)-1-(トリメチルシリルエチニル) ベンゼンが生成されます。下半身の合成を完了するには、K ₂ CO ₃、MeOH、および CH ₂ Cl ₂の添加による選択的脱保護によって TMS 保護基を除去し、 3,5-(1′-ペンチニル)-1-エチニルベンゼンを生成します。^[1]

添付ファイル

ナノキッドの上部を下部に取り付けるために、2つの成分をビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)ジクロリド、ヨウ化銅(I)、TEA、THFの溶液に加えました。これにより、ナノキッドの最終構造が得られました。^[1]

ナノキッドの派生品

ナノプロフェッショナルの合成

ナノプロフェッショナルは頭頂部の分子構造が異なり、帽子も含まれている可能性がある。そのほとんどは、p-トルエンスルホン酸を触媒として、目的の1,2-または1,3-ジオールとのアセタール交換反応によってナノキッドから合成でき、マイクロ波照射で数分間加熱する。最終的な製品群は、ナノアスリート、ナノピルグリム、ナノグリーンベレット、ナノジェスター、ナノモナーク、ナノテキサン、ナノスカラー、ナノベーカー、ナノシェフなど、多種多様なナノピューティアンであった。^[2]

図形のほとんどは、最も安定した形態で容易に認識できる。いくつかの図形は、安定した形態として認識しにくい形状をしているため、認識しやすいが安定性の低い方法で描かれることが多い。ナノプティア人の頭飾りの視覚的描写には多くの自由が取られている。^{[2]一部の製品は、}ジアステレオマーの混合物として形成され、「首」の構成が「帽子」の各部分と比較されている。^[1]

直立型ナノキッドの合成

3-ブチン-1-オールをメタンスルホニルクロリドおよびトリエタノールアミンと反応させてメシレートを生成した。メシレートを置換してチオ酢酸塩を作った。チオールを3,5-ジブロモ(トリメチルシリルエチニル)ベンゼンと結合させて遊離アルキンを生成した。得られた生成物である3,5-(4'-チオールアセチル-1'-ブチニル)-1-(トリメチルシリルエチニル)ベンゼンは、テトラ-n-ブチルアンモニウムフルオリド(TBAF)およびTHF中のAcOH/Ac ₂ Oを使用してトリメチルシリル基が除去された。遊離アルキンは、その後、以前の合成からの上部ボディ生成物と結合した。これにより、保護されたチオール足を持つナノキッドが得られた。^[1]

ナノキッドを「立たせる」ために、THF中の水酸化アンモニウムを使用してアセチル保護基を除去し、遊離チオールを生成しました。次に、金メッキ基板を溶液に浸し、4日間培養しました。エリプソメトリーを使用して化合物の結果として得られた厚さを測定し、ナノキッドが基板上で直立していることが判定されました。^[1]

ナノプティアン鎖の合成

NanoPutian 鎖の上部の合成は、1,3-ジブロモ-2,4-ジヨードベンゼンを出発物質として開始します。4-オキシトリメチルシリルブト-1-インとの薗頭カップリングにより、2,5-ビス(4-tert-ブチルジメチルシロキシ-1′-ブチニル)-1,4-ジブロモベンゼンが生成されます。臭素置換基の 1 つは、非プロトン性極性溶媒 DMF 中の強塩基 n-BuLi および THF との S _N 2 反応によりアルデヒドに変換され、2,5-ビス(4-tert-ブチルジメチルシロキシ-1′-ブチニル)-4-ブロモベンズアルデヒドが生成されます。3,5-(1′-ペンチニル)-1-エチニルベンゼンとの別の薗頭カップリングにより、NanoPutian の下部が結合します。アルデヒド基からジエーテル「ヘッド」への変換は 2 段階で行われます。最初のステップでは、エチレングリコールとトリメチルシリルクロリド（TMSCl）をCH ₂ Cl ₂溶媒に加えます。THF溶媒にTBAFを加えると、シリル保護基が除去されます。^[1]

参照

参考文献

^ abcdefgh Chanteau, SH; Tour, JM (2003). 「擬人化分子の合成：ナノプティアン」. The Journal of Organic Chemistry . 68 (23): 8750–66. doi :10.1021/jo0349227. PMID 14604341.
^ abc Chanteau, SH; Ruths, T.; Tour, JM (2003). 「Nanoput で芸術と科学が再集結: 合成とナノスケールを一般の人に伝える」Journal of Chemical Education . 80 (4): 395. Bibcode :2003JChEd..80..395C. doi :10.1021/ed080p395.
^ 「Nanokidsへようこそ。」2013年5月6日アクセス。http://cohesion.rice.edu/naturalsciences/nanokids/。
^ 「C&EN: 教育 - 『ナノキッズ』が中学校進学を目指す」 2013年5月10日アクセス。http://pubs.acs.org/cen/education/8214/8214nanokids.html。
^ “NanoKids - Mission”. 2007年. 2016年8月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年2月21日閲覧。

外部リンク

http://cohesion.rice.edu/naturalsciences/nanokids/index.cfm
http://pubs.acs.org/cen/education/8214/8214nanokids.html

[nanoputian-1] Chanteau, SH; Tour, JM (2003). 「擬人化分子の合成：ナノプティアン」. The Journal of Organic Chemistry . 68 (23): 8750–66. doi :10.1021/jo0349227. PMID 14604341.

[nanoputian2-2] Chanteau, SH; Ruths, T.; Tour, JM (2003). 「Nanoput で芸術と科学が再集結: 合成とナノスケールを一般の人に伝える」Journal of Chemical Education . 80 (4): 395. Bibcode :2003JChEd..80..395C. doi :10.1021/ed080p395.

[3] 「Nanokidsへようこそ。」2013年5月6日アクセス。http://cohesion.rice.edu/naturalsciences/nanokids/。

[4] 「C&EN: 教育 - 『ナノキッズ』が中学校進学を目指す」 2013年5月10日アクセス。http://pubs.acs.org/cen/education/8214/8214nanokids.html。

[5] “NanoKids - Mission”. 2007年. 2016年8月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年2月21日閲覧。