Vers la synthèse totale de nanotubes de carbone Zig-Zag de diamètres contrôlés : utilisation de calixarènes

par Etienne André

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Vincent Huc.

Soutenue le 13-12-2012

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Laboratoire de chimie inorganique (UMR8613 Université Paris Sud, Orsay) (laboratoire) .

Le président du jury était Talal Mallah.

Le jury était composé de Vincent Huc, Talal Mallah, Olivier Siri, Jean Weiss, Stéphane Campidelli, Jay A Siegel.

Les rapporteurs étaient Olivier Siri, Jean Weiss.


  • Résumé

    Les nanotubes de carbone (NTC) n'ont eu de cesse, depuis leur (re)-découverte par Sumio Iijima en 1991, de passionner la communauté scientifique. Leurs propriétés électroniques, optiques et mécaniques exceptionnelles en font l'un des matériaux les plus prometteurs des nanotechnologies. Néanmoins, l'utilisation des NTC en microélectronique se heurte à de nombreux problèmes. En particulier, les propriétés électroniques de ces nanotubes sont dépendantes de plusieurs paramètres : le diamètre du NTC, son organisation et le nombre de feuillets qui le composent. Ainsi, l’obtention de nanotubes exclusivement semiconducteurs (recherchées pour réaliser un dispositif microélectronique tel qu’un transistor) ne peut être garantie par les techniques de synthèse actuelles. Ces techniques (CVD, ablation laser, etc…) ne conduisent en général qu’à un mélange de nanotubes semiconducteurs et métalliques, difficiles à trier. Dans le cas spécifique des nanotubes de carbone « Zig-Zag », leur comportement électronique n’est défini que par le diamètre. Une synthèse de nanotubes exclusivement « Zig-Zag » et de diamètres contrôlés apporterait donc une solution définitive à ce problème. La chimie des calixarènes peut apporter des solutions pour résoudre cette problématique. On utiliserait alors la chimie covalente pour former le NTC de façon séquentielle. Le but de mon travail est d'obtenir une structure de type « zig-zag » avec un diamètre strictement contrôlé par la taille du calixarène de départ. Nous avons envisagé plusieurs méthodes de synthèses en fonction du motif de répétition que nous souhaitions introduire pour la croissance séquentielle du nanotube de carbone. Dans un premier temps, une stratégie basée sur le motif cyclacène a été utilisée. Les résultats de ces travaux seront présentés dans le chapitre 2. Nous présenterons la synthèse et la fonctionnalisation des calixarènes de départ ainsi que du synthon que nous avons choisi pour effectuer la croissance séquentielle. Le couplage entre ces deux composés sera effectué via une réaction de type Wittig Horner. Ce motif de répétition sera également utilisé lors du chapitre 3 pour présenter une nouvelle stratégie de croissance basée sur l’utilisation de la réaction de Heck afin d’effectuer la croissance séquentielle. Enfin, dans une dernière partie, nous présenterons les résultats obtenus par utilisation d’une autre stratégie, basée sur la répétition d’un motif métacyclopolyphénylène. Cette stratégie est basée sur une succession de réactions de couplage de Suzuki, catalysés par des complexes de palladium.

  • Titre traduit

    Toward the total synthesis of zig zag single walled carbon nanotubes with well defined diameters


  • Résumé

    Since their rediscovery by Iijima in 1991, carbon nanotubes (CNT) has been a main subject of interest. Their extraordinary properties may open large fields of applications in different domains such as electronics, medicine, or optics. But their use in microelectronics is limited by the lack of control of the electronics properties of each carbon nanotubes. These properties are depending on different parameters such as diameter, chirality, or the number of layers of graphène. Obtaining exclusively semi conducting CNT using current synthetic methods of synthesis is not guaranteed. These technics (CVD, Laser ablation…) leads, in general, to a very complex mixture of semi conducting and metallic CNT, quite difficult to sort out. In the specific case of “zig-zag” CNT, their electronic properties only depend of the diameter of the tube. An exclusive synthesis of a “zig-zag”, diameter controlled CNT should thus solve this problem. We propose here the use of organic, molecular chemistry, and more specifically, calixarene chemistry to achieve this goal. Two different synthetic strategies were explored, as a function of the repeating unit considered for the growth of “zig-zag” carbon nanotubes. During the first part of this work, we have used a strategy based on a cyclacene-type pattern as a repeating unit. These results will be presented in the second chapter. We will describe the results dealing with calixarene functionalization and the synthesis of a new bifunctionnal molecule to be used as a building block for the sequential growth. The coupling between these two species is performed by a Wittig reaction or a Wittig/Horner reaction. The same cyclacene-type repeating unit is also envisioned during the first part of the third chapter for a second strategy for zig-zag SWCNTs synthesis, based on Heck coupling reactions. Finally, during the last part of the third chapter, we will present the results obtained by the use of a new repetition pattern , the metacyclophenylene unit. This strategy relies on the use of successive Suzuki couplings.


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