Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.

Crystal engineering using functionalized adamantane

We performed a first-principles investigation on the structural, electronic and optical properties of crystals made of chemically functionalized adamantane molecules. Several molecular building blocks, formed by boron and nitrogen substitutional functionalizations, were considered to build zinc blende and wurtzite crystals, and the resulting structures presented large bulk moduli and cohesive energies, wide and direct bandgaps, and low dielectric constants (low-kappa materials). Those properties provide stability for such structures up to room temperature, superior to those of typical molecular crystals. This indicates a possible road map for crystal engineering using functionalized diamondoids, with potential applications ranging from space filling between conducting wires in nanodevices to nano-electromechanical systems.

Wasserstoffbrücken-gebundene Netzwerke

Die supramolekularen Organisationen von 5-n-Alkoxyisophthaläuren und 2,5-Di-n-alkoxyterephthalsäuren bilden durch sekundäre Wechselwirkungen in Form van der Waals-Kräften und Wasserstoffbrückenbindungen hochgeordnete lamellare Strukturen, die sowohl mittels Röntgen-kristallgraphie als auch durch Rastertunnelmikroskopie (STM) visualisierbar sind. Diese Art der Aggregationsmuster ermöglicht den potentiell reaktiven Gruppen (Diacetylene, Zimtsäuren) in der Alkoxykette, einen optimalen Abstand und geometrische Orientierungen im Kristall einzunehmen, um lichtinduzierte Reaktionen im Festkörper durchzuführen. Einführung einer Amidgruppe an die Alkoxykette erweitert dieses Konzept, durch Erhalt einer zusätzlichen Wasserstoffbrückenbindung im hydrophoben Bereich der Organisation.Die Stabilität solche supramolekularer Aggregate kann durch Einführung semifluorierter Alkoxyketten stark beeinflußt werden, da die Inkompatibilität der pefluorierten Gruppen durch viele organische Verbindungen das Gleichgewicht nicht-kovalenter Wechselwirkung drastisch verändert. Diese Eigenschaft der semifluorierten 5-n-Alkoxyisopthalsäuren und 2,5-Di-n-alkoxyterephthalsäuren zeigt sich erstaunlicherweise jedoch nur bei einem großen Anteil des perfluorierten Alkylteils als der des nicht-perfluorierten. Da sich dann die perfluorierten Alkylteile untereinander organisieren können, erscheint die Änderung der Assoziationsstruktur von interdigitiert-lamellar zu nicht-interdigitiert-lamellar plausibel.Das gezielte Design eines neuen Organisationsmusters der 5-n-Alkoxyisophthalsäuren gelang durch Brechung der Symmetrie dieses Bausteins. Die Einführung zweier Alkoxyketten ließ die zweidimensionale Anordnung der wasserstoffbrückengebundenen Aromate unverändert, resultierte aber mit Ausbruch einer Alkoxykette aus dieser Ebene.

Structure and dynamics of supramolecular assemblies studied by advanced solid-state NMR spectroscopy

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Aufklärung von Struktur und Dynamik komplexer supramolekularer Systeme mittels Festkörper NMR Spektroskopie. Die Untersuchung von pi-pi Wechselwirkungen, welche einen entscheidenden Einfluss auf die strukturellen und dynamischen Eigenschaften supra- molekularer Systeme haben, hilft dabei, die Selbst- organisationsprozesse dieser komplexen Materialien besser zu verstehen. Mit dipolaren 1H-1H and 1H-13C Wiedereinkopplungs NMR Methoden unter schnellem MAS können sowohl 1H chemische Verschiebungen als auch dipolare 1H-1H und 1H-13C Kopplungen untersucht werden, ohne dass eine Isotopenmarkierung erforderlich ist. So erhält man detaillierte Informationen über die Struktur und die Beweglichkeit einzelner Molekül- segmente. In Verbindung mit sogenannten nucleus independent chemical shift (NICS) maps (berechnet mit ab-initio Methoden) lassen sich Abstände von Protonen relativ zu pi-Elektronensystemen bestimmen und so Strukturvorschläge ableiten. Mit Hilfe von homo- und heteronuklearen dipolaren Rotationsseitenbandenmustern könnenaußerdem Ordnungs- parameter für verschiedene Molekülsegmente bestimmt werden. Die auf diese Weise gewonnenen Informationen über die strukturellen und dynamischen Eigenschaften supramolekularer Systeme tragen dazu bei, strukturbestimmende Molekül- einheiten und Hauptordnungsphänomene zu identifizieren sowie lokale Wechselwirkungen zu quantifizieren, um so den Vorgang der Selbstorganisation besser zu verstehen.

Strukturbildung durch Selbstorganisation von Oligonukleotiden

Die DNA-Doppelhelix ist eine relativ dicke (Ø ≈ 2 nm), kompakte und dadurch auf kurzen Längenskalen relativ steife Verbindung (lp[dsDNA] ≈ 50-60 nm), mit einer klar definierten Struktur, die durch biologische Methoden sehr präzise manipuliert werden kann. Die Auswirkungen der primären Sequenz auf die dreidimensionale Strukturbildung ist gut verstanden und exakt vorhersagbar. Des Weiteren kann DNA an verschiedenen Stellen mit anderen Molekülen verknüpft werden, ohne dass ihre Selbsterkennung gestört wird. Durch die helikale Struktur besteht außerdem ein Zusammenhang zwischen der Lage und der räumlichen Orientierung von eingeführten Modifikationen. Durch moderne Syntheseverfahren lassen sich beliebige Oligonukleotidsequenzen im Bereich bis etwa 150-200 Basen relativ preiswert im Milligrammmaßstab herstellen. Diese Eigenschaften machen die DNA zu einem idealen Kandidaten zur Erzeugung komplexer Strukturen, die durch Selbsterkennung der entsprechenden Sequenzen gebildet werden. In der hier vorgelegten Arbeit wurden einzelsträngige DNA-Abschnitte (ssDNA) als adressierbare Verknüpfungsstellen eingesetzt, um verschiedene molekulare Bausteine zu diskreten nicht periodischen Strukturen zu verbinden. Als Bausteine dienten flexible synthetische Polymerblöcke und semiflexible Doppelstrang-DNA-Abschnitte (dsDNA), die an beiden Enden mit unterschiedlichen Oligonukleotidsequenzen „funktionalisiert“ sind. Die zur Verknüpfung genutzten Oligonukleotidabschnitte wurden so gewählt (n > 20 Basen), dass ihre Hybridisierung zu einer bei Raumtemperatur stabilen Doppelstrangbildung führt. Durch Kombination der Phosphoramiditsynthese von DNA mit einer festkörpergestützten Blockkopplungsreaktion konnte am Beispiel von Polyethylenoxiden ein sehr effektiver Syntheseweg zur Herstellung von ssDNA1-PEO-ssDNA2-Triblockcopolymeren entwickelt werden, der sich problemlos auf andere Polymere übertragen lassen sollte. Die Längen und Basenabfolgen der beiden Oligonukleotidsequenzen können dabei unabhängig voneinander frei gewählt werden. Somit wurden die Voraussetzungen geschaffen, um die Selbsterkennung von Oligonukleotiden durch Kombination verschiedener Triblockcopolymere zur Erzeugung von Multiblockcopolymeren zu nutzen, die mit klassischen Synthesetechniken nicht zugänglich sind. Semiflexible Strukturelemente lassen sich durch die Synthese von Doppelstrangfragmenten mit langen überstehenden Enden (sticky-ends) realisieren. Die klassischen Ansätze der molekularen Genetik zur Erzeugung von sticky-ends sind in diesem Fall nicht praktikabel, da sie zu Einschränkungen im Bezug auf Länge und Sequenz der überhängenden Enden führen. Als Methode der Wahl haben sich zwei verschiedene Varianten der Polymerase Kettenreaktion (PCR) erwiesen, die auf der Verwendung von teilkomplementären Primern beruhen. Die eigentlichen Primersequenzen wurden am 5´-Ende entweder über ein 2´-Desoxyuridin oder über einen kurzen Polyethylenoxid-Spacer (n = 6) mit einer frei wählbaren „sticky-end-Sequenz“ verknüpft. Mit diesen Methoden sind sowohl 3´- als auch 5´-Überhänge zugänglich und die Länge der Doppelstrangabschnitte kann über einen breiten Molmassenbereich sehr exakt eingestellt werden. Durch Kombination derartiger Doppelstrangfragmente mit den biosynthetischen Triblockcopolymeren lassen sich Strukturen erzeugen, die als Modellsysteme zur Untersuchung verschiedener Biomoleküle genutzt werden können, die in Form eines mehrfach gebrochenen Stäbchens vorliegen. Im letzten Abschnitt wurde gezeigt, dass durch geeignete Wahl der überstehenden Enden bzw. durch Hybridisierung der Doppelstrangfragmente mit passenden Oligonukleotiden verzweigte DNA-Strukturen mit Armlängen von einigen hundert Nanometern zugänglich sind. Im Vergleich zu den bisher veröffentlichten Methoden bietet diese Herangehensweise zwei entscheidende Vorteile: Zum einen konnte der Syntheseaufwand auf ein Minimum reduziert werden, zum anderen ist es auf diesem Weg möglich die Längen der einzelnen Arme, unabhängig voneinander, über einen breiten Molmassenbereich zu variieren.

Reaktionen monovalenter Münzmetalle in flüssigem Ammoniak

Im Rahmen dieser Arbeit konnten erstmals eine Reihe von Ammoniakaten von Münzmetallhalogeniden (M(I)Hal) und Pseudohalogeniden aus flüssigem Ammoniak in einkristalliner Form isoliert und strukturell charakterisiert werden. Mit dem Ammoniakat des Gold(I)-iodids wurden Metathesen in flüssigem Ammoniak durchgeführt, die die Isolierung einiger sehr thermolabiler, teilweise explosiver Alkoholate des Golds ermöglichten. Die Bestimmung der Kristallstruktur eines Gold(I)-phenolates erlaubte erste Einblicke in deren Aufbau.rnIn der Reihe der Ammoniakate der M(I)Hal mit Ausnahme von Silberiodid, werden keine direkten Metall-Halogen-Kontakte ausgebildet. Die Ammoniakate der Chloride und Bromide des Kupfers und Silbers sowie des Kupferiodids besitzen isotype Strukturen. Sie liegen als Trisammoniakate [M(NH3)3]Hal vor. Im Ammoniakat von Silberiodid besitzen die Silberionen durchgängig die Koordinationszahl 4. Neben Ag•••NH3- findet man auch direkte Kationen-rnAnionen-Kontakte und sehr kurze Ag(I)-Ag(I)-Abstände. Das Goldkation im Ammoniakat von Goldiodid besitzt die Koordinationszahl 2 und wird ausschließlich durch Ammoniakmoleküle koordiniert. Die gebildeten H3N-NH3-Hanteln werden über aurophile Wechselwirkungen verknüpft.rn rnDie Ammoniakate der Cyanide von Silber und Gold, enthalten molekulare Baueinheiten des Typs:(H3N)nMCN [(n= 1 für M= Au und n= 2 für M= Ag].rnrnAnders als bei den solvatfreien Homologen wird eine Ausbildung von Polymerketten nicht beobachtet. Das linear aufgebaute Ammoniakat von Goldcyanid ermöglicht die Ausbildung von aurophilen Wechselwirkungen. Metallophile Wechselwirkungen zwischen dem als Dimer vorliegenden Ammoniakat von AgCN scheinen nicht ausgebildet zu werden.rnrnMetatheseversuche von Goldiodid mit einem Amid und diversen Alkanolaten lieferten teilweise explosive Produkte. Es ist davon auszugehen, dass mit zunehmender Basizität der eingesetzten Anionen, die an das Gold(I)-ion koordinierten Ammoniakmoleküle deprotoniert werden und explosives Goldamid gebildet wird. Der als zweites Produkt entstehende Alkohol kann ebenfalls ein Ammoniakat bilden. Im Fall von Li-Fencholat wird ein solches in Form sehr tiefschmelzender Einkristalle erhalten.rnrnDa die Deprotonierung der an Gold koordinierten Ammoniakmoleküle unweigerlich zu explosiven oder sehr instabilen Produkten führt, wurde die geringere Basizität der Phenolate ausgenutzt, um dies zu umgehen. Im Falle der Umsetzung von AuI mit Li-2,6-di-tert.-butylphenolat gelang tatsächlich die Isolierung eines kristallinen Gold(I)-phenolats.rn

Multifunctional Coordination Compounds: Design and Properties

Cleverly designed molecular building blocks provide chemists with the tools of a powerful molecular-scale construction set. They enable them to engineer materials having a predictable order and useful solid-state properties. Hence, it is in the realm of supramolecular chemistry to follow a strategy for synthesizing materials which combine a selected set of properties, for instance from the areas of magnetism, photophysics and electronics. As a successful approach, host/guest solids which are based on extended anionic, homo- and bimetallic oxalato-bridged transition-metal compounds with two-and three-dimensional connectivities have been investigated. In this report, a brief review is given on the structural aspects of this class of compounds followed by a presentation of a thermal and magnetic study for two distinct, heterometallic oxalato-bridged layer compounds.

Controlling Long-Range Ordered Self-assembly of Solid-Binding Peptide Monolayers on Atomically Flat Layered Materials

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Growth of C36-films on diamond surface through molecular dynamics simulation

In this paper, the initial stage of films assembled by energetic C36 fullerenes on diamond (001)–(2 × 1) surface at low-temperature was investigated by molecular dynamics simulation using the Brenner potential. The incident energy was first uniformly distributed within an energy interval 20–50 eV, which was known to be the optimum energy range for chemisorption of single C36 on diamond (001) surface. More than one hundred C36 cages were impacted one after the other onto the diamond surface by randomly selecting their orientation as well as the impact position relative to the surface. The growth of films was found to be in three-dimensional island mode, where the deposited C36 acted as building blocks. The study of film morphology shows that it retains the structure of a free C36 cage, which is consistent with Low Energy Cluster Beam Deposition (LECBD) experiments. The adlayer is composed of many C36-monomers as well as the covalently bonded C36 dimers and trimers which is quite different from that of C20 fullerene-assembled film, where a big polymerlike chain was observed due to the stronger interaction between C20 cages. In addition, the chemisorption probability of C36 fullerenes is decreased with increasing coverage because the interaction between these clusters is weaker than that between the cluster and the surface. When the incident energy is increased to 40–65 eV, the chemisorption probability is found to increased and more dimers and trimers as well as polymerlike-C36 were observed on the deposited films. Furthermore, C36 film also showed high thermal stability even when the temperature was raised to 1500 K.

Molecular dynamics investigation on shearing between osteopontin and hydroxyapatite in biological materials

Bone, a hard biological material, possesses a combination of high stiffness and toughness, even though the main basic building blocks of bone are simply mineral platelets and protein molecules. Bone has a very complex microstructure with at least seven hierachical levels. This unique material characteristic attracts great attention, but the deformation mechanisms in bone have not been well understood. Simulation at nano-length scale such as molecular dynamics (MD) is proven to be a powerful tool to investigate bone nanomechanics for developing new artificial biological materials. This study focuses on the ultra large and thin layer of extrafibrillar protein matrix (thickness = ~ 1 nm) located between mineralized collagen fibrils (MCF). Non-collagenous proteins such as osteopontin (OPN) can be found in this protein matrix, while MCF consists mainly of hydroxyapatite (HA) nanoplatelets (thickness = 1.5 – 4.5 nm). By using molecular dynamics method, an OPN peptide was pulled between two HA mineral platelets with water in presence. Periodic boundary condition (PBC) was applied. The results indicate that the mechanical response of OPN peptide greatly depends on the attractive electrostatics interaction between the acidic residues in OPN peptide and HA mineral surfaces. These bonds restrict the movement of OPN peptide, leading to a high energy dissipation under shear loading.

An uncommon nucleotide conformation shown by molecular structure of deoxyuridine-5-phosphate and nucleic acid stereochemistry

CRYSTAL structure determinations of nucleic acid fragments have shown that several of the conformational features found in the monomeric building blocks are also manifested at the nucleic acid level. Stereochemical variations between thymine and uracil nucleotides are therefore of interest as they can provide a structural basis for some of the differences between the conformations of DNA and RNA. X-ray studies have so far not shown any major dissimilarities between these two nucleotide species although the sugar ring of deoxyribonucleotides is found to possess greater flexibility than that in ribonucleotides. We report here the molecular structure of deoxyuridine-5'-phosphate (dUMP-5') which is not a common monomer unit of DNAs as it is replaced by its 5-methyl analogue deoxythymidine-5'-phosphate (dTMP-5'). The investigation was undertaken to help determine whether or not this implied a fundamental difference between the geometries of these two molecules.

Constructions of 2D-Metallamacrocycles Using Half-Sandwich Ru-2(II) Precursors: Synthesis, Molecular Structures, and Self-Selection for a Single Linkage Isomer

Coordination-driven self-assembly of oxalato-bridged half-sandwich p-cymene ruthenium complex Ru-2(mu-eta(4)-C2O4)(MeOH)(2)(eta(6)-p-cymene)(2)] (O3SCF3)(2) (1a) with several ditopic donors (L-a-L-d) in methanol affords a series of bi- and tetranuclear metallamacrocycles (2a and 3-5). Similarly, the combination of 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinonato (dhbq)-bridged binuclear complex Ru-2(mu-eta(4)-C6H2O4)(MeOH)(2)(eta(6)-p-cymene)(2)](O3SCF3)(2) (1b) with a flexible bidentate amide linker (L-a) in 1:1 molar ratio gave the corresponding tetranuclear complex 2b. All the macrocycles were isolated as their triflate salts in high yields and were fully characterized by various spectroscopic techniques. Finally, the molecular structures of all the assemblies were determined unambiguously by single-crystal X-diffraction analysis. Interestingly, the combination of acceptor 1a or 1b with an unsymmetrical linear ditopic donor L-a results in a self-sorted linkage isomeric (head-to-tail) macrocycle (2a or 2b) despite the possibility of formation of two different isomeric macrocycles (head-to-head or head-to-tail) due to different connectivity of the donor. Molecular structures of the complexes 2a and 2b showed tetranuclear rectangular geometry with dimensions of 5.51 angstrom x 13.29 angstrom for 2a and 7.91 angstrom x 13.46 angstrom for 2b. In both cases, two binuclear Ru-2(II) building blocks are connected by a mu-N-(4-pyridyl)isonicotinamide donor in a head-to-tail fashion. Surprisingly, the macrocycle 2a loses one counteranion and cocrystallizes with monodeprotonated 1,3,5-trihydroxybenzene via strong intermolecular pi-pi stacking and hydrogen bonding. The tweezer complex 3 showed strong fluorescence in solution, and it showed fluorescence sensing toward nitroaromatic compounds. A fluorescence study demonstrated a marked quenching of the initial fluorescence intensity of the macrocycle 3 upon gradual addition of trinitrotoluene and exhibits significant fluorescence quenching response only for nitroaromatic compounds compared to various other aromatic compounds tested.

C-H center dot center dot center dot O-nitrate synthon assisted molecular assembly of hydrogen bonded Ni(II) and Cu(II) complexes

Two Schiff base metal complexes Cu-SPETNNO3 (1) and Ni-SPETNNO3 (2) SPETN=2,2-propane,1,3-diylbis(nitrilomethyldyne)pyridyl,phenolate] ] with hydrogen bonding groups have been synthesized and characterized by single-crystal X-ray diffraction. In both of the compounds nitrates occupy a crystallographic general position. In 1 the lattice nitrates are on the 2(1) screw axis while in 2 they are at the crystallographic inversion center. C-HOnitrate synthons (formed by the nitrate anions and peripheral hydrogen bonding groups of the metal complexes) are non-covalent building blocks in molecular-assembly and packing of the cationic Schiff base metal complexes (M=Ni2+, Cu2+), resulting in 2-D hydrogen bonded networks. The CuCu non-bonding contact in 1 is 3.268 angstrom while the Ni-Ni bonding distance in 2 is 3.437 angstrom.

Molecular Cage Impregnated Palladium Nanoparticles: Efficient, Additive-Free Heterogeneous Catalysts for Cyanation of Aryl Halides

Two shape-persistent covalent cages (CC1(r) and CC2(r)) have been devised from triphenyl amine-based trialdehydes and cyclohexane diamine building blocks utilizing the dynamic imine chemistry followed by imine bond reduction. The cage compounds have been characterized by several spectroscopic techniques which suggest that CC1(r) and CC2(r) are 2+3] and 8+12] self-assembled architectures, respectively. These state-of-the-art molecules have a porous interior and stable aromatic backbone with multiple palladium binding sites to engineer the controlled synthesis and stabilization of ultrafine palladium nanoparticles (PdNPs). As-synthesized cage-embedded PdNPs have been characterized by transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), and powder X-ray diffraction (PXRD). Inductively coupled plasma optical emission spectrometry reveals that Pd@CC1(r) and Pd@CC2(r) have 40 and 25 wt% palladium loading, respectively. On the basis of TEM analysis, it has been estimated that as small as similar to 1.8 nm PdNPs could be stabilized inside the CC1(r), while larger CC2(r) could stabilize similar to 3.7 nm NPs. In contrast, reduction of palladium salts in the absence of the cages form structure less agglomerates. The well-dispersed cage-embedded NPs exhibit efficient catalytic performance in the cyanation of aryl halides under heterogeneous, additive-free condition. Moreover, these materials have excellent stability and recyclability without any agglomeration of PdNPs after several cycles.

High-Strength Composite Fibers: Realizing True Potential of Carbon Nanotubes in Polymer Matrix through Continuous Reticulate Architecture and Molecular Level Couplings

Carbon nanotubes have unprecedented mechanical properties as defect-free nanoscale building blocks, but their potential has not been fully realized in composite materials due to weakness at the interfaces. Here we demonstrate that through load-transfer-favored three-dimensional architecture and molecular level couplings with polymer chains, true potential of CNTs can be realized in composites as Initially envisioned. Composite fibers with reticulate nanotube architectures show order of magnitude improvement in strength compared to randomly dispersed short CNT reinforced composites reported before. The molecular level couplings between nanotubes and polymer chains results in drastic differences in the properties of thermoset and thermoplastic composite fibers, which indicate that conventional macroscopic composite theory falls to explain the overall hybrid behavior at nanoscale.