Modelling of graphene derivatives and their interactions

Bc. Martin VONDRÁK

Master's thesis

Abstract:

Reakce známé z organické chemie obecně nejsou použitelné v chemii 2D materiálů. Finální topologie 2D struktur závisí na použitém prekursoru, metodě přípravy apod. Navíc jednoduchá mechanická přístupnost funkčních skupin pro chemická činidla může být výrazně omezena samotným povrchem 2D materiálu. Jedním z nejnověji objevených derivátů grafenu je kyanografen. Jeho povrch je pokryt z 15 % nitril skupinami, které se standardně vyskytují v organické syntéze. Analogicky k jeho alifatickým protějškům bylo ukázáno, že kyanografen může být kysele hydrolyzován na grafenovou kyselinu. Na druhou stranu úspěšná redukce kyanografenu pomocí LiAlH4 je nejasná, a proto se tato práce zaobírala studiem mechanické části této reakce. Za tímto účelem byly použity metody molekulové mechaniky, které umožnily porovnat přístup mezi alifatickými molekulami a kyanografenem v tetrahydrofuranu. Simulace ukázaly silné strukturování tetrahydrofuranu na povrchu grafenu, které tvořilo bariéru mezi LiAlH4 a funkční skupinou. Zároveň simulace s alifatickými molekulami demonstrovaly, že redukující činidlo může přicházet k funkční skupině z odlišných směrů v závislosti na topologii alifatického řetězce. Tento přístup nelze aplikovat na kyanografenu, jelikož jeho reakční prostor je striktně omezen. Toto samotné stérické bránění 2D povrchu může napovědět, proč redukce kyanografenu zatím nebyla úspěšně provedena.

Abstract:

Reactions known from organic chemistry are not generally transferable to 2D materials. Their topology contains a large number of uncertainties arising from the used precursor, production method, and many others. Moreover, the simple mechanical accessibility of the grafted group, where the chemistry takes place, may be considerably limited by the spacious surface. Cyanographene is one of the newest graphene derivatives with 15 % of its surface covered by nitrile groups. Similarly to its aliphatic counterparts, cyanographene can undergo a hydrolysis reaction, which leads to graphene acid. Although aliphatic nitrile molecules can be reduced, the reaction of cyanographene with LiAlH4 as the reducing agent is ambiguous. For this reason, this work studied the mechanistic part of the cyanographene reduction in tetrahydrofuran by classical molecular dynamics simulations. First, graphene-induced layering of the tetrahydrofuran molecules was observed, which acted as a barrier between the reducing agent and functional group. Moreover, different approach directions of the reducing agent to the functional group on cyanographene and aliphatic molecules were observed, based on the topology of the surface and the aliphatic chain. These access directions together with limited group accessibility can explain, why the reduction of cyanographene is not favorable in comparison to its aliphatic counterparts.

Keywords

grafen, kyanografen, přístupnost, molekulová mechanika

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 5. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 17. 6. 2021
• Supervisor: Mgr. Martin Pykal

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry