JP2010521429A - ナノチューブおよびフラーレンを含むナノスケール物品の官能基化 - Google Patents

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Abstract

本発明は、概して、炭素含有分子を含む組成物、および関連する方法を提供する。場合によって、本発明は、分子の非平面状部分を含む、分子の芳香族部分に結合した官能基を有する芳香族分子に関する。本発明の方法は、様々な官能基を炭素含有分子に導入することを可能にし得る。場合によって、本発明の方法は、比較的穏和な反応条件、例えば、比較的低い温度、低い圧力、および／または強酸または強塩基の不在下など、を用いて実施することができる。本発明は、光起電デバイス、センサー、電極（例えば、電気触媒作用のため）などの様々な用途において有用な分子の合成に対して、容易なモジュール式アプローチを提供する。

Description

本発明は、置換された炭素含有分子を含む組成物、および関連する方法を提供する。
関連出願
この出願は、米国特許法§１１９（ｅ）の下、２００７年３月７日に出願された、同時係属の米国仮出願第６０／９０５，４９５号（この内容は、参考として本明細書に援用される）への優先権を主張する。
カーボンナノチューブおよびフラーレンなどの非平面状炭素含有分子は、その独特な機械特性および電子特性、並びにナノテクノロジーにおける応用の可能性から、非常に注目を集めている。通常、このような分子は、グラファイト蒸発法およびアーク蒸発法など、高温を用いる方法によって得られる。さらに、これらの分子は、一般的に、低い溶解性を有している。しばしば、これらの分子の特性を最適化するために、カーボンナノチューブを共有結合性官能基化することが所望される場合がある。しかしながら、この目的のためには、カーボンナノチューブの表面へのカルベン、ナイトレン、またはジアゾニウム塩の付加など、ほんのいくつかの方法が開発されているだけである。さらに、カーボンナノチューブの官能基化は、アゾメチンイリドの１，３−双極付加環化を介して達成することもできる。しかしながら、公知の方法の多くは、高温、長い反応時間、および／または強塩基もしくは強酸を必要とする。
したがって、改良された方法が必要とされている。
本発明は、下記式を有する化合物を含む組成物に関する。
Figure 2010521429
 式中、Ａは、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子であり、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一かまたは異なっていてもよく、かつ、＝Ｏ、ヒドロキシル、ハロゲン化物、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、またはヘテロアリールであり、必要に応じて置換されていてもよく、
Figure 2010521429
 は、単結合もしくは二重結合である。
さらに、本発明は下記式を有する化合物を含む組成物に関する。
Figure 2010521429
 式中、Ａは、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子であり、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一かまたは異なっていてもよく、それぞれが原子または化学基であり、ただし、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の少なくとも１つは、第二の原子もしくは化学基で置き換えることができるか、あるいはＲ１、Ｒ２、またはＲ３以外の当該化合物の残りに対して非反応性である条件下で第二の原子もしくは化学基への結合に関与することができ、
Figure 2010521429
 は、単結合もしくは二重結合である。
さらに本発明は、芳香族環の縮合網様構造が終結している境界を必要に応じて有する縮合網様構造と、当該網様構造の少なくとも２つの芳香族環の環員である２個の原子を介して当該網様構造に縮合している５員環の炭素環を含む官能基とを含む組成物に関する。
さらに本発明は、アルキン、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子、および５．０より大きいｐＫａを有する求核試薬であって５．０より大きいｐＫａを有する共役酸を有する求核試薬を反応させて、置換された炭素含有分子を形成する工程を包含する、置換された炭素含有分子の合成方法に関する。
さらに本発明は、アルキン、炭素含有分子、および求核試薬を１００℃未満の温度かつ１０，０００気圧未満の圧力において反応させて、芳香族環の縮合網様構造と、少なくとも４個の環原子を有する環を含みかつ当該網様構造の少なくとも２つの芳香族環の環原子である２個の原子を介して当該網様構造に縮合している官能基とを含む置換された炭素含有分子である生成物を形成する工程を包含する、置換された炭素含有分子の合成方法も提供する。
本発明の１つの実施形態による、官能基化された炭素含有分子の合成を示す。 本発明の１つの実施形態による、官能基化されたフラーレン分子の合成を示す。 本発明の１つの実施形態による、官能基化されたカーボンナノチューブの合成を示す。 本発明の１つの実施形態による、リンカーによって結合された２つの官能基を含む、多官能基化されたカーボンナノチューブの合成を示す。
本発明の他の態様、実施形態、および特徴は、添付の図と関連して考察することにより以下の詳細な記述から明らかとなるであろう。添付の図は模式図であり、寸法通りには描かれているとは限らない。明瞭にするために、当業者に本発明を理解させるために図示する必要がない場合は、全ての図面で全ての要素が標識されているとは限らず、本発明の各々の実施形態の全ての要素が示されているとは限らない。参照により本明細書に援用される全ての特許出願および特許は、参照によりその内容全てが本明細書に援用されるものとする。その内容が本明細書の内容と相容れない場合には、定義を含む本明細書が優先する。
詳細な説明
本発明は、概して、炭素含有分子を含む組成物、および関連する方法を提供する。
場合によって、本発明は、分子の非平面状部分を含む、分子の芳香族部分に結合している官能基を有する芳香族分子、並びにそのような分子を合成する方法に関する。本発明の方法は、有利に、炭素含有分子を含む芳香族分子に様々な官能基を導入することを可能にし得る。場合によって、本発明の方法は、例えば、比較的低い温度、低い圧力、および／または強酸または強塩基の不在下といった比較的穏和な反応条件を用いて実施することができる。本発明は、光起電デバイス、センサー、バッテリー、電極（例えば、電気触媒作用のため）などの様々な用途において有用であり得る分子を合成するための、容易なモジュール式アプローチを提供する。
いくつかの実施形態において、本発明は、置換もしくは官能基化された炭素含有分子を合成する方法を提供する。本明細書で使用される場合、「置換された」および「官能基化された」なる用語は、当技術分野におけるその通常の意味を与えるものであり、新たな官能基（例えば、原子または化学基）が結合するように変更された（例えば、反応させた）種を意味する。場合によって、当該官能基は、炭素含有分子の少なくとも１個の原子への結合を形成してもよい。場合によって、当該官能基は、炭素含有原子に既に結合している別の基、例えば水素原子など、と置き換わってもよい。場合によって、当該官能基（例えば、環）は、炭素含有分子の少なくとも２個の原子を介して当該炭素含有分子に縮合してもよい。本発明の方法は、様々な原子もしくは化学基を用いた、炭素含有分子の官能基化を可能にし得る。場合よって、本発明は、複数の基による官能基化、および／または炭素含有分子上の選択された位置での官能基化を可能にし得る。
本発明のいくつかの実施形態は、分子の芳香族部分に縮合した官能基を有する炭素含有分子の合成を包含し得る。当該官能基は、当該炭素含有分子および／または官能基にさらなる基を結合させるためにさらに反応し得る原子もしくは基を含み得る。すなわち、当該官能基は、炭素含有分子に結合させることができる様々なさらなる官能基のための前駆体として機能し得る。これにより、安定性、溶解性、混合性、生物学的適合性、光学特性、電子特性、結合特性、表面親和性などの炭素含有分子の様々な特性を簡単に調整することができる。
本明細書に記載されているように、炭素含有分子は、通常、芳香族環などの環の縮合網様構造を含み得る。いくつかの実施形態において、当該炭素含有分子は、少なくとも１０個、少なくとも２０個、少なくとも３０個、少なくとも４０個、もしくは、場合によって少なくとも５０個の芳香族環を含む。当該炭素含有分子は、実質的に平面状または実質的に非平面状であってもよく、あるいは、平面状部分または非平面状部分を含んでいてもよい。当該炭素含有分子は、縮合網様構造が終結している境界を含んでいてもよい。例えば、グラファイトのシートは、縮合網様構造が終結している境界を含む平面状炭素含有分子であり、一方、フラーレンはそのような境界を有さない非平面状炭素含有分子である。場合によって、当該境界は、水素原子で置換されていてもよい。場合によって、当該境界は、酸素原子を含む基（例えば、ヒドロキシル基）によって置換されていてもよい。他の場合において、当該境界は、本明細書に記載されているように置換されていてもよい。「縮合網様構造」なる用語は、例えば、２つのフェニル基が単結合によって結合しているが縮合はしていないビフェニル基などは含み得ない。場合によって、当該縮合網様構造は、実質的に炭素原子を含んでいてもよい。場合によって、当該縮合網様構造は、炭素原子およびヘテロ原子を含んでいてもよい。炭素含有分子のいくつかの例としては、グラファイト、カーボンナノチューブ（例えば、単層（ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ）ナノチューブ、多層（ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ）ナノチューブなど）、およびフラーレンが挙げられる。
当該炭素含有分子は、非平面状部分、例えば、凸表面および陥凹表面（このような場合、「表面」は、多環構造を特徴付ける分子もしくはシートの片面を定義する）を有する曲がった部分など、を含んでいてもよい。非平面状部分を含む炭素含有分子の例としては、フラーレン、カーボンナノチューブ、およびそれらの断片、例えばコランニュレンなど、が挙げられる。場合によって、当該非平面状芳香族部分は、ｓｐ２．ｘの混成を有する炭素原子を含んでいてもよく、この場合、ｘは１〜９であり、すなわち、当該炭素原子は、ｓｐ２−とｓｐ３−との間の混成を有していてもよい。この場合、当該混成は、当業者に理解されているように、分子の非平面性の特徴である。これらの実施形態において、ｘはさらに、２〜８、３〜７、または４〜６であってもよい。通常、平面状芳香族基および多環式芳香族基（例えば、フェニル、ナフチルなど）は、ｓｐ２混成を有する炭素原子を含み得るが、一方、非平面状基（例えば、アルキル基など）は、ｓｐ３混成を有する炭素原子を含み得る。非平面状芳香族基、例えば炭素含有分子の非平面状部分など、における炭素原子では、ｓｐ２混成した炭素原子は、炭素含有分子の非平面状部分または曲がった部分を形成するために歪められ（例えば、曲げられ）ている場合がある。理論に束縛されることは望まないが、この歪みは、角歪みの原因となり得、炭素原子の混成を変え得る。その結果、歪んだ炭素原子の反応性が高められ得る。
場合によって、当該炭素含有分子はフラーレンである。本明細書で使用される場合、「フラーレン」なる用語は、当技術分野におけるその通常の意味を与えるものであり、実質的に球体状の、一般的に５員環および／または６員環の芳香族環による縮合網様構造を含む分子を意味する。例えば、Ｃ６０は、サッカーボールの形状を模したフラーレンである。用語フラーレンは、さらに、楕円体などの球形に関連する形状を有する分子も含み得る。カーボンナノチューブが６員環以外の環を含み得ることは理解されるべきである。いくつかの実施形態において、フラーレンは、７員環もしくはそれ以上の環員の環を含み得る。フラーレンとしては、Ｃ３６、Ｃ５０、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ８４などが挙げられる。
場合によって、当該炭素含有分子はカーボンナノチューブである。本明細書で使用される場合、「カーボンナノチューブ」なる用語は、当技術分野におけるその通常の意味を与えるものであり、６員環の芳香族環による縮合網様構造を含む実質的に筒状の分子を意味する。場合によって、カーボンナノチューブは、継ぎ目のない円筒構造状に巻かれたグラファイトのシートに類似している場合がある。当然のことながら、カーボンナノチューブが、さらに６員環以外の環も含み得る。通常、カーボンナノチューブの少なくとも１つの端部は塞がれていてもよく、すなわち、曲がった芳香族基または非平面状芳香族基によって塞がれていてもよい。カーボンナノチューブは、ナノメートルオーダーの直径と、ミリメートルオーダーの長さとを有し得、そのために、１００、１０００、１０，０００、またはそれより大きいアスペクト比を有し得る。用語「カーボンナノチューブ」は、単層ナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、多層ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）（例えば、同心状のカーボンナノチューブなど）、それらの無機誘導体などを含む。いくつかの実施形態において、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブである。場合によって、カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブ（例えば、二層カーボンナノチューブ）である。
本発明は、炭素含有分子およびそれに結合した官能基を含む組成物を提供する。例えば、当該組成物は、芳香族環の縮合網様構造が終結している境界を必要に応じて含む当該縮合網様構造と、当該網様構造の少なくとも２つの芳香族環の環原子である２つの原子を介して当該網様構造に縮合している５員環である炭素環を含む官能基とを含む。いくつかの実施形態において、本発明は、下記式を有する化合物を含む組成物を提供する。
Figure 2010521429
 式中、Ａは、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子であり、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一かまたは異なっていてもよく、それぞれが原子または化学基であり、
Figure 2010521429
 は、単結合または二重結合である。場合によって、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、＝Ｏ、ヒドロキシ、ハロゲン化物、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、またはヘテロアリールであり、必要に応じて置換されていてもよい。上記の構造において、５員環である炭素環は、当該構造が、下記基を含むように、Ａの２つの原子を介してＡに縮合していてもよい。
Figure 2010521429
 式中、
Figure 2010521429
 は、非平面状芳香族部分を含む。当該２つの原子は、縮合網様構造の少なくとも２つの芳香族環の環原子であってもよい。いくつかの実施形態において、当該化合物は、下記構造を含んでいてもよい。
Figure 2010521429
 式中、Ｒ１はエステルであり、Ｒ２は脱離基である。Ｒ１は、酸塩化物、カルボン酸もしくはその塩、エステル、アミド、またはこれらの置換誘導体であってもよい。
いくつかの実施形態において、Ｒ１は、下記構造を有する。
Figure 2010521429
 式中、Ｘは、Ｈ、ＯＨ、ハロゲン化物、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、ヘテロアリール、またはこれらの塩であり、必要に応じて置換されていてもよく、Ｒ２は脱離基であり、Ｒ３は、＝Ｏ、＝Ｓ、または＝ＮＲ４である。Ｒ１は、酸塩化物、カルボン酸もしくはその塩、エステル、アミド、他のカルボニル基、またはこれらの置換誘導体であり得る。本明細書で使用される場合、「脱離基」は、有機合成化学の技術分野におけるその通常の意味を与えるものであり、求核試薬によって置き換えることのできる原子もしくは基を意味する。好適な脱離基の例としては、ハロゲン化物（例えば、塩化物、臭化物、およびヨウ化物など）、アルカンスルホニルオキシ、アレーンスルホニルオキシ、アルキル−カルボニルオキシ（例えば、アセトキシ）、アリールカルボニルオキシ、メシルオキシ、トシルオキシ、トリフルオロメタン−スルホニルオキシ、アリールオキシ、メトキシ、Ｎ，Ｏ−ジメチルヒドロキシルアミノ、ピキシルなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。場合によって、当該脱離基は、電子吸引基で置換されたアリールオキシ基である（例えば、２，−ニトロフェノキシ、２，４−ジニロトフェノキシなど）。脱離基のいくつかの具体例としては、下記構造が挙げられる。
Figure 2010521429
 １つの実施形態において、当該化合物は、下記構造を有していてもよい。
Figure 2010521429
 いくつかの実施形態において、当該化合物は、下記構造を有していてもよい。
Figure 2010521429
 式中、Ｒ５は、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、ヘテロアリール、またはこれらの塩であり、必要に応じて置換されていてもよい。
いくつかの実施形態において、Ｒ１、Ｒ２、および／またはＲ３は、結合して環を形成していてもよい。例えば、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の任意の２つが結合して環を形成していてもよい。当該環は、任意の数の環原子を含んでいてもよく、炭素原子、ヘテロ原子、金属などを含んでいてもよい。さらに、当該環は、本明細書に記載されているように、必要に応じて置換されていてもよい。いくつかの実施形態において、Ｒ１およびＲ３は、結合して少なくとも６個の環原子を有する環を形成していてもよい。
本発明のいくつかの実施形態は、炭素含有分子に縮合した少なくとも２つ以上の官能基を包含し得る。場合によって、当該２つ以上の官能基は、リンカーによって結合されていてもよい。炭素含有分子は、下記式を有する少なくとも２つの基を含んでいてもよい。
Figure 2010521429
 式中、各官能基のＲ１は、リンカーによって結合している。当該リンカーは、アルキル基もしくはヘテロアルキル基などの柔軟なリンカーであってもよく、あるいは当該リンカーは、アリール基、ヘテロアリール基、アルケン基、ヘテロアルケン基、アルキン基、もしくはヘテロアルキン基などの剛直なリンカーであってもよい。例えば、当該リンカーは、フェニル、ピリジニル、ピロリル、チオフェンイル、フラニル、ビフェニル、またはトリプチセニル、酒石酸エステル、アセチレン、アルケン、またはこれらの組み合わせなどであってもよい。場合によって、当該リンカーは、官能基に共有結合していてもよい。場合によって、当該リンカーは、官能基に非共有結合していてもよい。非共有結合の例としては、イオン結合、水素結合（例えば、ヒドロキシル基、アミン基、カルボキシル基、チオール基、および／または同様の官能基の間）、配位結合（例えば、金属イオンと一座配位もしくは多座配位の配位子との間の錯体形成またはキレート形成）などが挙げられる。さらに、非共有結合は、ファン・デル・ワールス相互作用を含み得る。図４において例示的な実施形態によって示されているように、化合物７０は、２つの５員環を含むカーボンナノチューブであり、それぞれの５員環はカーボンナノチューブの異なる非平面状部分に縮合しており、当該２つの環がリンカーによって結合されている。
本発明は、さらに、官能基化または置換された炭素含有分子を合成する方法も提供する。いくつかの実施形態は、アルキン、炭素含有分子、および求核試薬を反応させて、置換された炭素含有分子を生成する工程を包含し得る。図１において例示的な実施形態によって示されているように、アルキン、炭素含有分子、および求核試薬が反応して、お互いに共有結合している各成分（例えば、アルキン、炭素含有分子、および求核試薬）の少なくとも一部を含む生成物を形成し得る。本明細書で使用される場合、「反応する」もしくは「反応すること」なる用語は、安定で単離可能な化合物を生成する、２つ以上の成分の間の結合の形成を意味する。例えば、第一の成分と第二の成分とが反応して、共有結合で結合された第一の成分および第二の成分を含む１つの反応生成物を形成してもよい。すなわち、「反応すること」なる用語は、溶媒、触媒、塩基、配位子、または当該成分（単数または複数）による反応の発生を促進させるために役立つ他の材料による相互作用を意味するものではない。「安定で単離可能な化合物」は、単離された反応生成物を意味し、不安定な中間体もしくは遷移状態を意味するものではない。アルキン（例えば、求電子体）および求核試薬を変えることによって、様々な官能基を炭素含有分子に導入することができる。
いくつかの実施形態において、当該炭素含有分子は、アルキンおよび求核試薬との反応によって当該炭素含有分子の非平面状芳香族部分に結合した官能基が形成されるような非平面状芳香族部分を含み得る。例えば、当該官能基は、非平面状芳香族部分の２つの原子を介して炭素含有分子に縮合している環を含んでいてもよい。当該環は、炭素原子、あるいは炭素原子とヘテロ原子との組み合わせを含み得る。場合によって、当該環は、少なくとも４個の環原子、少なくとも５個の環原子、少なくとも６個の環原子、またはそれ以上の環原子を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、５員環が炭素含有分子に縮合していてもよい。
場合によって、２つ以上の官能基もしくはその前駆体（例えば、アルキン、求核試薬）は、本明細書に記載されているように、リンカーによって結合されていてもよい。例えば、本方法は、炭素含有分子に縮合し、かつリンカーによって結合されている少なくとも２つの官能基の形成を包含し得る。当該リンカーは、例えば、酒石酸エステル、芳香族基、または本明細書に記載されているような他の基であってもよい。場合によって、当該炭素含有分子は、炭素含有分子上の１つ以上の位置で官能基化されていてもよく、この場合、適切なサイズおよび／または長さのリンカーを選択することによって、当該位置の相対的な位置関係を選択することができる。例えば、お互いに相対的に近接している２つの官能基を形成するには、例えば、炭素含有分子上の官能基化される位置の間の所望する距離に対応した分子サイズおよび／または長さを有するリンカーによって結合された２つのアルキン基を有する試薬を選択することによって達成することができる。場合によって、炭素含有分子に結合した場合に官能基の間の十分な距離を確立し維持するのに十分な剛直性もしくは立体障害特性を有するような、剛直なリンカーを利用してもよい。
場合によって、当該リンカーは、末端に官能基もしくは官能基群またはそれらの前駆体（例えば、アルケン、求核試薬）が結合している鎖、例えばアルキル鎖またはヘテロアルキル鎖など、を含んでいてもよい。一連の実施形態において、当該剛直なリンカーは、アリール基、ヘテロアリール基、アルケン基、ヘテロアルケン基、アルキン基、またはヘテロアルキン基を含んでいてもよい。そのような剛直なリンカーを使用する場合、それらは長さを有し得るか、あるいは、少なくとも以下の分子の長さと同程度だけ、官能基もしくは官能基前駆体を有効に分離することができる。
Figure 2010521429
 式中、ｘは少なくとも２であり、別の実施形態においては、３、４、５、６、７、またはそれ以上である。上記の構造は、使用することのできるリンカーの種類に関する限定として用いられるのではなく、単に、当業者によって理解されるように分子目盛りで測定される場合に、単にリンカーによって提供される分離の長さの比較基準として用いられる。本発明のこの態様において、分子の剛直でない部分によって２つの官能基がリンカーの剛直な部分の距離よりも近くに近接した状態となり得る場合であっても、リンカーの剛直な部分と剛直でない部分との組み合わせが、少なくとも上記の距離（比較基準として）だけ２つの官能基を分離する限りにおいて、リンカーは、１つ以上の剛直な部分と１つ以上の剛直でない部分とを含んでいてもよい。本明細書で使用される場合、「剛直な」部分は、分子の一部を意味し、その末端は、少なくとも１つの結合を壊すことなしには変化し得ない距離（通常の分子目盛りの外寸は温度などで変化する）によって分離される。例えば、ｓｐ３−混成した炭素原子を含む分子の一部（例えば、アルキル鎖など）は剛直ではないが、一方で、ｓｐ２−混成もしくはｓｐ−混成した炭素原子（例えば、アリール基、アルキニル基）は、比較的高い剛直性を付与するであろう。当業者であれば、このような専門用語を理解するであろう。
場合によって、当該炭素含有分子は、さらなる基を分子に導入するためにさらに反応することのできる原子または基を含んでいてもよい。炭素含有分子への第一の官能基の導入により、第一の官能基のさらなる官能基化が可能となり得る。例えば、本方法は、炭素含有分子およびアルキンを第一の求核試薬と反応させて、置換された炭素含有分子を形成する工程を包含し得る。続いて、当該置換された炭素含有分子と、第二の求核試薬または他の種（例えば、官能基前駆体など）とを反応させることにより、例えば共有結合などを介して他の官能基を当該炭素含有分子に付加させることが可能となり得る。
例えば、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の少なくとも１つは、第二の原子もしくは化学基によって置き換えることができるか、あるいは、第二の原子もしくは化学基への接続（例えば、結合）に関与することができる。本明細書で使用される場合、「置き換える」なる用語は、第一の官能基を、第二の官能基によって少なくとも部分的に置き換える化学反応、例えば、ＳＮ２反応など、を意味し得る。当該原子もしくは基は、別の原子もしくは基と結合（例えば、共有結合、非共有結合）を形成することができる反応性基を含んでいてもよい。例えば、置換された炭素含有分子は、求核試薬との反応によって置き換えることができるような脱離基を含んでいてもよい。あるいは、置換された炭素含有分子は、求電子体に電子を供与して結合を形成することができる求核試薬を含んでいてもよい。場合によって、置換された炭素含有分子は、ラジカル反応、ペリ環状反応（例えば、ディールス・アルダー反応、環付加など）、金属触媒反応（例えば、メタセシス反応）、酸化反応、還元反応、または当技術分野で公知の任意の他の化学反応を受ける基を含んでいてもよい。当該官能基化（例えば、置換、付加など）は、当該化合物（例えば、炭素含有分子など）のＲ１、Ｒ２、またはＲ３以外の残基に対して不反応性であり得るような条件下で実施することができる。
いくつかの実施形態において、Ｒ１、Ｒ２、またはＲ３は、架橋基、すなわち、他の基と結合を形成することができる基、を含んでいてもよい。例えば、架橋基は、炭素含有分子とポリマーとの間の結合（例えば、炭素含有分子上の官能基を介して）、または２つのポリマーの間の結合を形成することができる。当該架橋基は、例えば、酸塩化物、アルケン、アルキン、ハロゲン化物、金属とキレート形成することができる基などを含んでいてもよく、並びに当技術分野において公知の方法を用いて反応させることができる。場合によって、Ｒ１、Ｒ２、またはＲ３は、メタセシス反応を介した反応によって他の分子もしくは基の末端アルケンへの結合を形成することができる末端アルケンを含んでいてもよい。
いくつかの実施形態において、本発明は、第一の非プロトン性求核試薬、アルキン、および炭素含有分子の間の反応を介した、荷電している中間体の形成を包含し得る。荷電している中間体は、安定で単離可能な化合物であり得るが、場合によっては、当該中間体は単離できない場合もある。当該荷電している中間体は、さらに、第二のプロトン性求核試薬、例えばアルコール、アミン、チオール、エナミン、エノラートなど、と反応してもよい。場合によって、荷電している中間体を生成するために、第一の非プロトン性求核試薬を触媒として使用してもよい。図２に示した例示的な実施形態では、Ｃ６０を、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ：Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｐｙｒｉｄｉｎｅ）（例えば、第一の求核試薬）およびジメチルアセチレン−ジカルボキシレート（ＤＭＡＤ：ｄｉｍｅｔｈｙｌ ａｃｅｔｙｌｅｎｅ−ｄｉｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ）（例えば、アルキン）と反応させて、置換された分子１０を得て、この置換された分子１０を、さらに、例えばアルコールもしくは他の種（例えば、第二の求核試薬）と反応させて、置換された分子２０を形成ことができる。別の例示的な実施形態では、図３に示してあるように、カーボンナノチューブ４０を、第一の求核試薬（例えば、「Ｎｕｃ＊」）およびアルキンと反応させて、荷電している分子５０を得て、この分子５０を、さらに、第二の求核試薬（例えば、「Ｎｕｃ」）と反応させて、置換されたカーボンナノチューブ６０を得ることができる。
本発明の方法は、本明細書に記載されているような生成物を形成するために、既知の方法と比較して比較的穏和な条件を用いて、有利に実施することができる。例えば、アルキン、求核試薬、および炭素含有分子の間の反応は、１００℃未満、８０℃未満、６０℃未満、４０℃未満の温度で、あるいは、場合によっては３０℃未満の温度で実施することができる。いくつかの実施形態において、当該反応は、室温で実施することができる。さらに、当該反応は、１０，０００気圧未満、５，０００気圧未満、１，０００気圧未満、５００気圧未満、１００気圧未満、５０気圧未満、または１０気圧未満の圧力において実施してもよい。いくつかの実施形態において、当該反応は、約１気圧の圧力において実施することができる。
場合によって、本発明の方法は、アルキン、求核試薬、および／または炭素含有分子の反応性を高めるためのさらなる試薬を必要とせずに実施することができる。例えば、既知の方法では、炭素含有分子を官能基化するために、強酸（例えば、硝酸）もしくは強塩基（例えば、リチウムジイソプロピルアミン）の使用を必要とする場合がある。本発明の方法は、強酸もしくは強塩基の不在下において実施することができる。当業者であれば、強酸および強塩基を特定することができるであろう。強酸の例としては、硝酸、硫酸、塩酸、臭化水素酸などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。強塩基の例としては、リチウムジイソプロピルアミン（ＬＤＡ：ｌｉｔｈｉｕｍ ｄｉｉｓｏｐｒｏｐｙｌ ａｍｉｎｅ）、アルキルリチウム（例えば、ブチルリチウム）、ナトリウムアミド、金属水酸化物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。本明細書で使用される場合、強酸または強塩基は、反応により生成物（例えば、置換された炭素含有分子）の少なくとも一部を形成するような、反応のいずれかの成分（例えば、アルキン、求核試薬、炭素含有分子）を意味するものではない。むしろ、強酸および強塩基は、反応の成分を活性化するために、および／または反応を促進するために利用される試薬を意味し得る。
既知の方法では、十分な反応性を得るために、一般的に高温（例えば、１００℃を超える温度）、高圧、あるいは強酸および／または強塩基の使用を必要とするため、上記の穏和な条件を用いて炭素含有分子（例えば、非平面状炭素含有分子）を官能基化できるということは、意外なことであろう。
本発明の方法は、様々な官能基を有する炭素含有分子を合成するために使用することができる。例えば、官能基は、ペプチド、タンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド核酸（ＰＮＡ：ｐｅｐｔｉｄｅ ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）、金属錯体、金属に対する配位子、タンパク質に対するリガンド、抗体、分極性芳香族、クラウンエーテル、ヒドロキシルアミン、ポリマー、重合開始剤、液晶、フルオロカーボン、合成受容体などを含み得る。場合によって、当該化合物は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、またはタンパク質に共有結合していてもよい。さらに、炭素含有分子の特性は、縮合した芳香族網様構造の曲がった部分を置換することによって調整することもできる。当業者であれば、どのような種類の官能基が、特定の所望する特性、例えば検体を決定する能力など、を提供するかを認識しているだろう。一連の実施形態において、標的検体を確定するために、結合部位によって炭素含有分子を官能基化してもよく、その場合、当該炭素含有分子は、標的検体と相互作用することができる結合部位によって官能基化され得る。
いくつかの実施形態において、検体と結合部位との間の相互作用は、共有結合（例えば、炭素−炭素、炭素−酸素、酸素−ケイ素、硫黄−硫黄、リン−窒素、炭素−窒素、金属−酸素、または他の共有結合）、イオン結合、水素結合（例えば、ヒドロキシル、アミン、カルボキシル、チオール、および／または同様の官能基など）、配位結合（例えば、金属イオンと一座配位性もしくは多座配位性配位子との間の錯体形成もしくはキレート形成）などの結合の形成を含み得る。当該相互作用は、ファン・デル・ワールス相互作用も含み得る。１つの実施形態において、当該相互作用は、検体との共有結合の形成を含む。結合部位は、さらに、生物学的分子の対の間の結合事象を介して検体と相互作用することができる。例えば、炭素含有分子は、標的検体上のエンティティ、例えば、アビジンまたはストレプトアビジンなどの補足的なエンティティに対して特異的に結合するビオチンなど、を含み得る。
場合よって、当該結合部位は、媒体（例えば、溶媒、気相、固相）中において他の生物学的分子または化学分子に結合することができる生物学的分子または化学分子を含んでいてもよい。例えば、当該結合部位は、チオール、アルデヒド、エステル、カルボン酸、ヒドロキシルなどの官能基であってもよく、この場合、当該官能基は、検体と共に結合を形成する。場合によって、当該結合部位は、ポリマー中の電子リッチ部分もしくは電子不足部分であってもよく、この場合、検体と導電性ポリマーとの間の相互作用は、静電相互作用を含む。
さらに、当該結合部位は、タンパク質、核酸、糖タンパク質、炭水化物、ホルモンなどの生物学的分子の対の間に生じる相互作用を介して検体に生物学的に結合することが可能であってもよい。具体例としては、抗体／ペプチドの対、抗体／抗原の対、抗体フラグメント／抗原の対、抗体／抗原フラグメントの対、抗体フラグメント／抗原フラグメントの対、抗体／ハプテンの対、酵素／基質の対、酵素／抑制物の対、酵素／補助因子の対、タンパク質／基質の対、核酸／核酸の対、タンパク質／核酸の対、ペプチド／ペプチドの対、タンパク質／タンパク質の対、小分子／タンパク質の対、グルタチオン／ＧＳＴの対、抗ＧＦＰ／ＧＦＰ融合タンパク質の対、Ｍｙｃ／Ｍａｘの対、マルトース／マルトース結合タンパク質の対、炭水化物／タンパク質の対、炭水化物誘導体／タンパク質の対、金属結合タグ／金属／キレート、ペプチドタグ／金属イオン−金属キレートの対、ペプチド／ＮＴＡの対、レクチン／炭水化物の対、受容体／ホルモンの対、受容体／作動体の対、補足的な核酸／核酸の対、リガンド／細胞の表面の受容体の対、ウイルス／リガンドの対、Ａタンパク質／抗体の対、Ｇタンパク質／抗体の対、Ｌタンパク質／抗体の対、Ｆｃ受容体／抗体の対、ビオチン／アビジンの対、ビオチン／ストレプトアビジンの対、薬剤／標的の対、ジンクフィンガー／核酸の対、小分子／ペプチドの対、小分子／タンパク質の対、小分子／標的の対、マルトース／ＭＢＰ（マルトース結合タンパク質）などのような炭水化物／タンパク質の対、小分子／標的の対、または金属イオン／キレート化剤の対、などが挙げられる。
検体は、化学的検体または生物学的検体であってもよい。「検体」なる用語は、分析されるべき任意の化学的、生化学的、または生物学的エンティティ（例えば、分子）を意味する。場合によって、ポリマー構造は、検体に対して高い特異性を有するように選択してもよく、並びに、例えば、化学的センサー、生物学的センサー、もしくは爆発物センサーであってもよい。いくつかの実施形態において、当該検体は、放射性ポリマー材料の少なくとも一部と相互作用することができる官能基を含む。例えば、当該官能基は、共有結合などの結合を形成することによって、物品の外層と相互作用してもよい。場合によって、当該結合部位は、ｐＨ、湿度、温度などにおける変化を決定することができる。１つの実施形態において、当該検体は、タンパク質などの生物学的分子である。
場合によって、当該炭素含有分子は、金属錯体および／または金属含有種、例えば金属（例えば、電気触媒金属）、金属酸化物、金属合金など、に結合するための配位子を含み得る。例えば、金属錯体、または金属含有種に結合するための配位子は、本明細書に記載されているような炭素含有分子に取り付けられて（例えば、結合して）いてもよい。場合によって、当該金属錯体は、電気触媒基（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｇｒｏｕｐ）、すなわち、電気化学反応（例えば、酸化、還元など）を高める（例えば、触媒作用を及ぼす）ことができる基であってもよい。例えば、当該電気触媒基は、有機化合物（例えばアルコールなど）、酸素、水、水素、二酸化炭素などの種の還元および／または酸化において有用であり得る。電気触媒基のいくつかの例は、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム、パラジウム、および白金金属原子などの金属原子を含む。当業者であれば、本発明に関する使用に対して好適な電気触媒基を特定し選択することができるであろう。
いくつかの実施形態において、当該炭素含有分子は、所望する特性（例えば、水溶性、表面特性など）を付与するために適切に官能化することができる。例えば、当該炭素原子は、当該物質の特性を変更もしくは改善することのできる化合物、官能基、原子、または物質を含むように、官能化もしくは誘導体化することができる。いくつかの実施形態において、当該炭素含有分子は、媒体（例えば、水など）との適合性、光安定性、および生物学的適合性などの特性を変更もしくは改善することのできる化合物、原子、もしくは物質を含み得る。場合によって、当該炭素含有分子は、表面に対して親和性を有するように選択された官能基を含み得る。いくつかの実施形態において、当該炭素含有分子は、官能基化することによって、特定の表面への吸着を促進することができる。例えば、当該炭素含有分子は、カルボン酸部分によって官能基化することができ、これによって、荷電している表面、例えばガラス表面、粒子表面など、への静電吸着が可能となり得る。
いくつかの実施形態において、炭素含有分子は、官能基化することによって、流動性担体（例えば、溶媒など）に対する当該炭素含有分子の適合性を変えることができる。例えば、当該炭素含有分子は、１つ以上の親水基によって官能基化することにより、水性溶媒、例えば水など、に対する当該炭素含有分子の適合性（例えば、溶解性など）を高めることができる。すなわち、当該炭素含有分子は、当該炭素含有分子の親水性を高める官能基を含み得る。そのような親水基の例としては、アミン、チオール、アルコール、カルボン酸およびカルボン酸塩、硫酸塩、リン酸塩、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）、またはポリエチレングリコールの誘導体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。誘導体としては、官能基化されたＰＥＧ、例えば、アミン官能基化ＰＥＧ、チオール官能基化ＰＥＧ、およびカルボキシル官能基化ＰＥＧなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。炭素含有分子の親水性もしくは水溶性を高めるための適切な官能基を選択するスクリーニング試験は、官能基化された炭素含有分子を水などの流動性担体中に入れる段階、並びに当該流動性担体中における炭素含有分子の適合性（例えば、溶解度など）を評価する段階を含み得る。当業者であれば、官能基化された炭素含有分子が、特定の用途に適するために、特定の流動性担体に対して十分なレベルの適合性を示すか否かを評価することができるであろう。
場合によって、当該官能基化された炭素含有分子は、実質的に水溶性であってもよい。「水溶性」なる用語は、水性環境中における種（例えば、炭素含有分子）の分散を意味するために当技術分野において一般的に使用されているのと同様に、本明細書において使用される。場合によって、水溶性の種は、流動性担体と組み合わされて溶液を形成し得る。場合によって、水溶性の種は、流動性担体と組み合わされて、分散液もしくは懸濁液を形成し得る。場合によって、炭素含有分子は、官能基化することによって、ポリマー性材料に対する当該炭素含有分子の適合性を変え得る。例えば、炭素含有分子は、当該分子をポリマーマトリックスに対して可溶性もしくは混合可能にすることができる基によって官能基化してもよい。当該官能基は、特定の材料に対する適合性を付与するように選択することができる。例えば、炭素含有分子は、様々な疎水基によって官能基化することによって、疎水性ポリマーに対する当該分子の適合性を高めることができる。場合によって、炭素含有分子は、適切に官能基化することによって、例えば、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアリールエーテルなどと混合可能にすることができる。これにより、当該炭素含有分子を含むポリマーブレンドの形成が可能となり得る。
場合によって、炭素含有分子は、ポリマーマトリックスに共有結合していてもよい。場合によって、炭素含有分子は、ポリマーマトリックスに共有結合していなくてもよく、別の方法でポリマーマトリックスによって担持されていてもよく（例えば、実質的にポリマーマトリックス内に含有される）、あるいは一体的に結合されていてもよい。いくつかの実施形態において、炭素含有分子を含むポリマー（例えば、ポリマーに共有結合もしくは非共有結合されている）は、炭素含有分子を含まない基本的に同一のポリマーと基本的に同一条件下で比較した場合に、より高いモジュラス、より高い軟化温度、または他の有利な特徴を示し得る。
本発明の組成物は、化学センサー、トランジスタ（例えば、有機トランジスタ）、透明導電膜、電極（例えば、電気触媒用）、光起電デバイスの構成要素、発光ダイオード（例えば、ＯＬＥＤ、ＰＬＥＤなど）、高強度ポリマーなどのポリマーの強化素子（ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）、アクチュエータ（例えば、ポリマー性機械式アクチュエータ）、回路、発光素子などの様々な用途において有用であり得る。さらに、当該組成物は、生体撮像用薬剤（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ａｇｅｎｔ）および医学的診断用薬剤としても有用であり得る。場合によって、当該組成物は、化粧品組成物において有用であり得る。フラーレン、カーボンナノチューブ、およびグラファイトなどの炭素含有分子を官能基化することができれば、炭素含有分子を含む安定した混合物（例えば、溶液、分散液）の形成において、あるいは異なる種類の炭素含有分子（例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ）の分離において役立ち得る。
一連の実施形態において、官能基化された炭素含有分子（例えば、カーボンナノチューブ）は、光起電デバイスにおける電子輸送材料として有用であり得る。官能基化された炭素含有分子は、導電性ポリマーなどの材料と組み合わせることができ、その場合、当該炭素含有分子は、本明細書に記載しているように、ポリマーブレンドの安定した形成を促進する基によって置換されている。動作中、ポリマーマトリックスが電子供与体として機能し得る一方で、炭素含有分子は、電子受容体として機能し得る。この場合、当該炭素含有分子は、デバイスにおける電子のモビリティを高め、その結果として、改良された性能を有する光起電デバイスが得られる。
いくつかの実施形態において、官能基化された炭素含有分子は、電気触媒として有用であり得る。例えば、炭素含有分子は、金属錯体などの電気触媒基によって官能基化することができ、有機化合物、二酸化炭素、酸素などを電気化学的に還元することができる。例えば、電気触媒基を含む官能基化された炭素含有分子は、水を還元して水素を生成するために用いられ得る。場合によって、電気触媒基を含む官能基化された炭素含有材料は、酸素を還元して水を生成する際に有用であり得る。場合によって、本明細書に記載の官能基化された炭素含有材料を用いて二酸化炭素を還元することができる。場合によって、官能基化された炭素含有分子は、アルコール（例えば、メタノール、エタノールなど）、水、水素などを含む有機化合物を電気化学的に酸化することが可能であり得る。例えば、官能基化された炭素含有分子は、水を酸化して酸素を生成する際に有用であり得、すなわち、水の電気分解において有用であり得る。場合によって、官能基化された炭素含有分子は、水素を酸化してプロトンを生成する際に有用であり得る。場合によって、本明細書に記載の官能基化された炭素含有材料を用いて、メタノールを酸化して二酸化炭素と水を生成することができる。
本発明の組成物は、固体として、または流動性担体との組み合わせにおいて提供してもよい。場合によって、本発明は、本明細書に記載の組成物と、少なくとも１種の流動性担体とを含む混合物を提供する。当該混合物は、例えば、溶液または分散液であってもよい。場合によって、本発明の組成物は、さらなる成分の有無にかかわらず、イオン性集合体（ｉｏｎｉｃ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成し得る。当該混合物は、例えばカーボンナノチューブやフラーレンなどの非平面状炭素含有分子を含む組成物の分離もしくは精製において有用であり得る。１つの実施形態において、当該混合物は、カーボンナノチューブの分離において有用であり得る。
いくつかの実施形態において、炭素含有分子から官能基を除去することが望ましい場合がある。本明細書に記載されているような官能基は、比較的穏和な反応条件を用いて除去（例えば、熱的除去）することができる。すなわち、元の非置換の炭素含有分子を得るために、官能基（単数または複数）と炭素含有分子との間に形成された結合（単数または複数）を、既知の方法と比較して穏和であり得る条件を用いて壊すことができる。例えば、炭素含有分子に縮合した５員環は、７００℃以下、６００℃以下、５００℃以下、４００℃以下、または３００℃以下で加熱することによって熱的に除去することができる。例示的な実施形態において、下記構造を含み、かつ炭素含有分子（例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ）に縮合している５員環は、２００〜３００℃の間の範囲の温度に晒すことにより、炭素含有分子から熱的に除去することができる。
Figure 2010521429
 本明細書で使用される場合、「ｓｐ２混成」および「ｓｐ２混成した」なる用語は、当技術分野におけるその通常の意味を与えるものであり、別のｓｐ２混成した原子と共に１つの二重結合（例えば、パイ結合）を形成することが可能な原子（例えば、炭素原子）を意味する。ｓｐ２混成を有する原子は、一般的に、三角平面状の結合による幾何学的配置を示し、この場合、当該原子は、１つの平面上にある３つのｓｐ２混成軌道と、当該３つのｓｐ２混成軌道に垂直な平面上にあるｐ軌道とを有している。例えば、フェニル基の炭素原子は、ｓｐ２混成している。本明細書で使用される場合、「ｓｐ３混成」および「ｓｐ３混成した」なる用語は、当技術分野におけるその通常の意味を与えるものであり、他の原子と共に４つまでの単結合を形成することができる原子を意味する。ｓｐ３混成を有する原子は、一般的に、実質的に四面体状の結合による幾何学的配置を示す。例えば、エチル基の炭素原子は、ｓｐ３混成している。当業者であれば、そのような用語の意味を理解するであろうし、分子における原子の混成を特定することができるであろう。
本発明における使用に好適なアルキンとしては、三重結合、例えば炭素−炭素三重結合など、を有する任意の種が挙げられる。アルキンは、求電子性の種、例えば求核試薬から電子を受容することのできる種、であるように選択され得る。当業者であれば、本発明における使用に適切なアルキンを選択することができるであろう。例えば、アルキンは、電子不足アルキンもしくは電子欠乏アルキンであってもよい。場合によって、電子欠乏アルキンは、高められた反応性を有し得るか、あるいは、求核攻撃または他の反応に対して活性化され得る。アルキンは、少なくとも１つの電子吸引基、例えばカルボニル基、スルホン酸塩、ホスホン酸塩、アリール基（例えば、電子欠乏基によって置換されたアリール基）、ハロゲン化物（例えば、ヨウ化物、臭化物、塩化物、フッ化物）、ニトリル、ニトロ基、アミドなど、によって置換され得る。場合によって、アルキンは、ハロゲン化されたアルキル基、例えば、トリフルオロメチルまたはペルフルオロアルキルを含む。
アルキンは、さらに、本明細書に記載されたような化合物を形成するために、求核試薬および炭素含有分子との相互作用（例えば、反応）を可能にする適切な立体障害サイズを有するように選択することができる。例えば、立体的に大きな基によっては、立体的な込み合いのために、アルキンと求核試薬および炭素含有分子との反応を妨げ得るものがある。当業者であれば、本発明における使用に好適であり得るアルキンを選択することが可能であろう。
本明細書で使用される場合、「求核試薬」なる用語は、当技術分野におけるその通常の意味を与えるものであり、反応性の電子対を有する化学部分を意味する。求核試薬は、電子を供与し、通常はその結果として共有結合などの結合を形成することのできる任意の種を含み得る。求核試薬は、例えば、酸素、窒素、またはリンなどのヘテロ原子、あるいは電子を供与して結合を形成することのできる他の原子などを含み得る。場合によって、求核試薬は、電子供与基、例えば、アミノ、アルコキシ（例えば、メトキシ）、ヘテロアリールなどを含み得る。場合によって、求核試薬は、ヘテロアルキル基もしくはヘテロアリール基を含み得、必要に応じて置換されていてもよい。例えば、求核試薬は、Ｎ（Ｒ６）３、Ｐ（Ｒ６）３、Ｏ（Ｒ６）２、Ｓ（Ｒ６）２、ピリジン、ピロール、チオフェン、フラン、またはそれらの置換誘導体であってもよく、この場合、Ｒ６は、ハロゲン化物、ヒドロキシ、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、ヘテロアリール、またはそれらの塩であり、必要に応じて置換されていてもよい。
求核試薬の例としては、荷電していない化合物、例えば、水、アミン、メルカプタン、およびアルコールなど、並びに荷電している部分、例えば、アルコキシド、チオレート、カルボアニオン、並びに様々な有機アニオンおよび無機アニオンなど、が挙げられる。荷電していない求核試薬のいくつかの特定の例としては、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジンおよびイミダゾールが挙げられる。アニオン性求核試薬のいくつかの特定の例としては、水素化物、水酸化物、アジ化物、シアン化物、チオシアン酸塩、酢酸塩、ギ酸塩、クロロギ酸塩、または亜硫酸水素塩などのアニオンが挙げられる。場合によって、求核試薬は、有機銅酸塩、有機亜鉛、有機リチウム、グリニャール試薬、エノラート、アセチリドなどの有機金属試薬を含むカルボアニオン種を含み得る。いくつかの実施形態において、求核試薬は、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジンであってもよい。いくつかの実施形態において、求核試薬は、イミダゾールであってもよい。
本発明のいくつかの方法は、炭素含有分子と求核試薬とを反応させる工程を包含し得る。ただし、当該求核試薬は、５．０より大きいｐＫａを有する共役酸を有する。本明細書で使用される場合、求核試薬の「共役酸」は、求核試薬のプロトン化された誘導体を意味する。場合によって、当該共役酸は、荷電している分子または荷電していない分子であってもよい。例えば、求核試薬がイミダゾールの場合、イミダゾールの共役酸のｐＫａ値は、対応するイミダゾリウム塩のｐＫａ値を意味し得る。場合によって、本発明の方法は、炭素含有分子と求核試薬とを反応させる工程を包含し得、この場合、当該求核試薬は、１０．０、１５．０、２０．０より大きなｐＫａ、あるいは、場合によって２５．０より大きなｐＫａを有する共役酸を有する。
当業者であれば、どのような反応成分（例えば、炭素含有分子、アルキン、求核試薬など）が本発明における使用に好適であるかを選択することができるであろう。本発明の方法は、短時間で、かつ比較的容易に実施することができるため、簡単なスクリーニング試験は、成分の１つ以上を変更することができる一連の反応を実施する工程を含んでいてもよい。例えば、カーボンナノチューブ、同じ求核試薬、および立体障害サイズおよび電子特性を変更した一連のアルケンを用いて反応を実施して、どのアルキンが本発明の使用に好適であるかどうかを決定することができる。
本発明の方法における使用に好適な溶媒としては、有機溶媒、無機溶媒（例えば、水性溶媒）、またはそれらの組み合わせが挙げられる。場合によって、当該溶媒は、極性溶媒または非極性溶媒であってもよい。当該溶媒は、炭素含有分子もしくは本明細書に記載されているような反応における他の成分との適合性のために選択することができる。例えば、溶媒は、炭素含有分子がその溶媒に実質的に可溶性であるように選択することができる。適合性は、かならずしも溶解性を必要とせず、炭素含有分子または他の成分と安定した懸濁液、コロイド、または当技術分野において公知の他の混合物を形成することができる溶媒は、本発明における使用において十分に適合性であり得る。各溶媒が、それぞれの成分と十分に適合性である限り、本発明に関して、様々な溶媒を使用することができる。さらに、溶媒は、例えば本明細書に記載された組成物を含む混合物を形成するなどのための流動性担体としても有用であり得る。
場合によって、溶媒は、反応内においてイオン種（例えば、双性イオン）に安定性を提供するために十分極性であるように選択してもよく、同様にイオン種が反応に参加できるように、十分非極性であるように選択してもよい。いくつかの有機溶媒の例としては、ヘキサン、シクロヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン、および他の炭化水素、エーテル、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、１，２，４−トリクロロベンゼン、二硫化炭素、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ：ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ：Ｎ，Ｎ−ｄｉｍｅｔｈｙｌｆｏｒｍａｍｉｄｅ）、エチルメチルケトン、アセトン、Ｎ−メチルピロリジノン、アセトニトリル、メタノール、および他のアルコールなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。場合によって、分散媒は、水性溶媒であるか、あるいは水性溶媒と混合可能な他の溶媒である。場合によって、溶媒は、ＴＨＦ、ＤＭＦ、またはトルエンであり得る。
本発明の方法に関して、以下の基本手順に従った。Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．社から入手した未精製の（ＨｉＰＣＯ）ＳＷＣＮＴ （ＣＮＩ ロット＃ Ｒ０２０４）を、３００℃で空気に晒し、続いて濃ＨＣｌで洗浄することによってさらに精製して、使用する前に残存する金属触媒を除去した。フラーレン（９９．５％）は、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ社から入手し、そのまま使用した。使用した全ての溶媒は、特に記載の無い限り、分光用グレードを用いた。無水トルエン、ジクロロメタン、アセトニトリル、およびテトラヒドロフランは、溶媒精製システム（Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社）を用いて得た。他の全ての化学物質は、試薬グレードのもの、および入手したままのものを使用した。
核磁気共鳴（ＮＭＲ：Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スペクトルは、Ｉｎｏｖａ−５００ ＮＭＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒによって測定した。化学シフトは、残留溶媒を参照している。高分解能質量スペクトル（ＨＲＭＳ：Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒａ）は、Ｂｒｕｋｅｒ Ｄａｌｔｏｎｉｃｓ ＡＰＥＸ ＩＩ ３ Ｔｅｌｓａ ＦＴＩＣＲ−ＭＳによって測定した。ラマンスペクトルは、Ｋａｉｓｅｒ Ｈｏｌｏｌａｂ ５０００Ｒ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒによって７８５ｎｍの励起波長を用いて測定した。紫外−可視−近赤外の範囲におけるスペクトルは、Ｃａｒｙ ６０００ｉ ＵＶ−ｖｉｓ−ＮＩＲ分光計を用いて測定した。熱重量分析（ＴＧＡ：ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ ａｎａｌｙｓｅｓ）は、ＴＧＡ Ｑ５０装置（ＴＡ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社）により実施した。実験は、窒素下で実施した。試料は、５℃／分で２２℃から８００℃まで加熱した。Ｘ線による結晶学的データは、Ｂｒｕｋｅｒ−ＡＸＳ Ｓｍａｒｔ Ａｐｅｘ ＣＣＤ検出器に接続したＳｉｅｍｅｎｓ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ３サイクル回折計により収集した。全ての合成操作は、特に記載のない限り、標準的シュレンク技術を用いてアルゴン雰囲気下で実施した。ガラス器具は、オーブンでベーク処理し、Ｎ２雰囲気下で冷却した。
（実施例１）
官能基化したフラーレンは、求核試薬としてＮ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）、およびアルキンとしてジメチルアセチレンジカルボキシレート（ＤＭＡＤ）を用いて、以下の基本手順に従って合成し、ビニルメトキシフラーレン類似物を得た。トルエン中におけるＣ６０（１０ｍｇ、０．０１４ｍｍｏｌ）およびＤＭＡＰ（４．４ｍｇ、０．０３６ｍｍｏｌ）の混合物を、２５ｍＬシュレンク管において、超音波浴（Ｂｒａｎｓｏｎ ２５１０、２０Ｗ、４２ｋＨｚ）を用いて均一な紫色の溶液が得られるまで超音波処理した。得られた混合物に、トルエン（０．５ｍＬ）中におけるＤＭＡＤ（３．４μＬ、０．０２８ｍｍｏｌ）の溶液を滴下しながら添加した。ＤＭＡＤの添加が完了した後、当該系を室温で０．５時間攪拌し、その後、メタノール（０．５ｍＬ）を加えた。得られた混合物を、さらに２時間攪拌した。当該溶液を濃縮し、残留物をカラム・クロマトグラフィーで処理した。これにより、赤色固体（８．１ｍｇ、６８％）の生成物を得た。さらに、フラーレン出発物質の一部も回収した（１．９ｍｇ、１９％）。
（実施例２）
ビニル−２−メトキシエチルオキシフラーレン類似物は、第一の求核試薬としてＮ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）、アルキンとしてジメチルアセチレンジカルボキシレート（ＤＭＡＤ）、および第二の求核試薬として２−メトキシエタノールを用い、以下の基本手順を用いて合成し、当該生成物を得た。トルエン中におけるＣ６０（１０ｍｇ、０．０１４ｍｍｏｌ）およびＤＭＡＰ（４．４ｍｇ、０．０３６ｍｍｏｌ）の混合物を、２５ｍＬシュレンク管において、超音波浴を用いて均一な紫色の溶液が得られるまで超音波処理した。得られた混合物に、トルエン（０．５ｍＬ）中におけるＤＭＡＤ（３．４μＬ、０．０２８ｍｍｏｌ）の溶液を滴下しながら添加した。添加の後、当該系を室温で０．５時間攪拌し、その後、２−メトキシエタノール（０．５ｍＬ）を加えた。得られた混合物を、さらに２時間攪拌した。当該溶液を濃縮し、残留物をカラム・クロマトグラフィーで処理した。これにより、赤色固体（７．７ｍｇ、６２％）の生成物を得た。さらに、フラーレン出発物質の一部も回収した（２．１ｍｇ、２１％）。
（実施例３）
単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）類似物は、求核試薬としてＤＭＡＰ、アルキンとしてＤＭＡＤ、および第二の求核試薬として２−メトキシエタノールを用い、以下の基本手順を用いて合成し、当該生成物を得た。ＴＨＦ（４０ｍＬ）中における精製済みＳＷＣＮＴ（４．０ｍｇ、炭素０．３３ｍｍｏｌ）の懸濁液を、超音波プローブ（Ｂｒａｎｓｏｎ Ｓｏｎｉｆｉｅｒ ４５０、６０Ｗ、２０ｋＨｚ）を用いて３分間超音波処理した。得られた不均一な溶液を６０℃で加熱した。当該ＳＷＣＮＴ懸濁液に、ＴＨＦ（１０ｍＬ）中におけるＤＭＡＤ（０．５１ｍＬ、４．２ｍｍｏｌ）の溶液と、ＴＨＦ（１０ｍＬ）中におけるＤＭＡＰ（０．５１ｇ、４．２ｍｍｏｌ）の溶液とを、シリンジ・ポンプを介して同時に４０時間かけて加えた（生成物を得るために第二の求核試薬が必要な場合には、第二の求核試薬をＤＭＡＤおよびＤＭＡＰの添加が完了した後で加えてもよく、その混合物を６０℃でさらに１２時間攪拌してもよい）。当該反応混合物は、５０００ｒｐｍで５分間、遠心分離処理した。上澄みを破棄し、残留物を、超音波浴を用いてＤＭＦ中で５分間分散させた。当該混合物を遠心分離処理し（５０００ｒｐｍ、５分間）、上澄みを破棄した。同じ一連の作業を、溶媒としてＤＭＦおよびアセトンを用いて２回繰り返し、官能基化されたＳＷＣＮＴを得た。このＳＷＣＮＴを減圧下で終夜乾燥させた。
定義
便宜上、明細書、実施例、および添付の特許請求の範囲で用いられる特定の用語をここに一覧する。
「アルキル」なる用語は、飽和脂肪族基による基を意味し、直鎖状アルキル基、分枝鎖状アルキル基、シクロアルキル（脂環式）基、アルキル置換シクロアルキル基、およびシクロアルキル置換アルキル基を含む。アルキル基は、以下においてより詳細に説明されるように、必要に応じて置換されていてもよい。アルキル基の例としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、２−エチルヘキシル、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、およびシクロヘキシルなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。「ヘテロアルキル」基は、少なくとも１個の原子がヘテロ原子（例えば、酸素、硫黄、窒素、リンなど）であり、残りの原子が炭素原子であるようなアルキル基である。ヘテロアルキル基の例としては、アルコキシ、ポリ（エチレングリコール）−、アルキル−置換アミノ、テトラヒドロフラニル、ピペリジニル、モルフォリニルなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
「アルケニル」および「アルキニル」なる用語は、それぞれ、少なくとも１つの二重結合または三重結合を有している、上記のアルキル基に類似した不飽和脂肪族基を意味する。「ヘテロアルケニル」および「ヘテロアルキニル」は、１つ以上の原子がヘテロ原子（例えば、酸素、窒素、硫黄など）である、本明細書に記載されているようなアルケニル基およびアルキニル基を意味する。
「アリール」なる用語は、全てが必要に応じて置換されていてもよい、単環（例えば、フェニル）、多環（例えば、ビフェニル）、または少なくとも１つの環が芳香族である複数の縮合環（例えば、１，２，３，４−テトラヒドロナフチル、ナフチル、アントリル、またはフェナントリル）を有する芳香族炭素環基を意味する。「ヘテロアリール」基は、芳香族環の少なくとも１つの環原子がヘテロ原子であり、残りの環原子が炭素原子であるアリール基である。ヘテロアリール基の例としては、フラニル、チエニル、ピリジル、ピロリル、Ｎ−低級アルキルピロリル、ピリジル−Ｎ−オキシド、ピリミジル、ピラジニル、イミダゾリル、インドリルなどが挙げられ、全てが必要に応じて置換されていてもよい。
「アミン」および「アミノ」なる用語は、非置換および置換アミンの両方、例えば、一般式：Ｎ（Ｒ’）（Ｒ’’）（Ｒ’’’）によって表され得る部分、を意味する。なお、式中、Ｒ’、Ｒ’、およびＲ’’’は、それぞれ独立して、原子価の法則によって許容される基を表す。
「アシル」、「カルボキシル基」、または「カルボニル基」なる用語は、当技術分野において公知であり、下記一般式で表すことができるような部分を含み得る。
Figure 2010521429
 式中、Ｗは、Ｈ、ＯＨ、Ｏ−アルキル、Ｏ−アルケニル、またはこられの塩である。ＷがＯ−アルキルの場合、当該式は「エステル」を表す。ＷがＯＨの場合、当該式は「カルボン酸」を表す。一般的に、上記式の酸素原子が、硫黄で置き換わっている場合、当該式は「チオールカルボニル」基を表す。ＷがＳ−アルキルの場合、当該式は「チオールエステル」を表す。ＷがＳＨの場合、当該式は「チオールカルボン酸」を表す。一方、Ｗがアルキルの場合、上記の式は「ケトン」基を表す。Ｗが水素の場合、上記の式は「アルデヒド」基を表す。
本明細書で使用される場合、「置換された」なる用語は、有機化合物の全ての許容可能な置換基を含むことが想定される。なお、「許容可能な」は、当業者に公知である原子価の法則に関連している。場合によって、「置換された」は、一般的に、本明細書に記載されているような置換基による水素の置き換えを意味する。ただし、本明細書で使用される場合、「置換された」は、分子を特定するような、例えば、「置換された」官能基が置換によって別の官能基になるような重要な置換基の置換および／または改変を含まない。例えば、「置換されたフェニル」は、依然としてフェニル部分を含んでいなければならず、この定義において、例えばピリジンなどのヘテロアリール基に変えてしまうような置換によって修飾することはできない。様々な態様において、許容可能な置換基としては、有機化合物における、非環式および環式の置換基、分岐鎖状および非分岐鎖状の置換基、炭素環式および複素環式の置換基、芳香族および非芳香族の置換基が挙げられる。例示的な置換基としては、例えば、本明細書に記載されたものが挙げられる。許容可能な置換基は、適切な有機化合物に対して、１つ以上であってもよく、かつ同じかまたは異なっていてもよい。本発明の目的において、窒素などのヘテロ原子は、水素置換基、および／またはヘテロ原子の原子価を満足するような、本明細書に記載された有機化合物の許容可能な任意の置換基を有していてもよい。本発明は、有機化合物の許容可能な置換基によって、いかなる制限を受けることも意図されない。
置換基の例としては、アルキル、アリール、アラルキル、環式アルキル、ヘテロシクロアルキル、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、ペルハロアルコキシ、アラルコキシ、ヘテロアリール、ヘテロアリールオキシ、ヘテロアリールアルキル、ヘテロアラルコキシ、アジド、アミノ、ハロゲン、アルキルチオ、オキソ、アシルアルキル、カルボキシエステル、カルボキシル、カルボキサミド、ニトロ、アシルオキシ、アミノアルキル、アルキルアミノアリール、アルキルアリール、アルキルアミノアルキル、アルコキシアリール、アリールアミノ、アラルキルアミノ、アルキルスルホニル、カルボキサミドアルキルアリール、カルボキサミドアリール、ヒドロキシアルキル、ハロアルキル、アルキルアミノアルキルカルボキシ、アミノカルボキサミドアルキル、アルコキシアルキル、ペルハロアルキル、アリールアルキルオキシアルキルなどが挙げられるが、これらの限定されるものではない。
「電子供与基」なる用語は、本明細書で使用される場合、同じ位置にあった場合の水素原子ほどは、それ自体に電子を引き付けない官能基を意味する。電子供与基の例としては、アミン、メトキシなどが挙げられる。
「電子吸引基」なる用語は、当技術分野において公知であり、本明細書で使用される場合、同じ位置にあった場合の水素原子よりも、それ自体に電子を引き付ける官能基を意味する。電子吸引基の例としては、ニトロ、シアノ、カルボニル基（例えば、アルデヒド、ケトン、エステルなど）、スルホニル、トリフルオロメチルなどが挙げられる。
本明細書中において、本発明のいくつかの実施形態を説明かつ例示したが、当業者であれば、本明細書中に記載された機能を実施するため、並びに／あるいは本明細書中に記載された結果および／または１つ以上の利点を得るための様々な他の手段および／または構造を容易に想到するであろうし、そのような変更および／または修正は、それぞれ本発明の範囲内であると考えられる。より一般的には、当業者であれば、本明細書に記載された全てのパラメータ、寸法、材料、および構成は例示であることが意図され、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、特定の用途あるいは本発明の技術が使用される用途に応じて変わる、ということを容易に理解するであろう。当業者であれば、本明細書中に記載された発明の特定の実施形態に対する多くの同等物を、日常的な実験だけを用いて認識あるいは見極めるであろう。したがって、前述の実施形態は、単なる一例として提示されるものであり、添付された特許請求の範囲およびそれらに対する同等物の範囲内において、本発明は、具体的に記載および請求されている以外の方法で実施することができるということは理解されるべきである。本発明は、本明細書に記載されたそれぞれの個々の特徴、系、物品、材料、キット、および／または方法に関する。さらに、そのような特徴、系、物品、材料、キット、および／または方法が互いに矛盾しなければ、２つ以上のそのような特徴、系、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、本発明の範囲内に含まれる。
不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、本明細書中および請求の範囲中で使用される場合、特に明記のない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。
「および／または」なる語句は、本明細書中および特許請求の範囲中で使用される場合、それらの等位接続される要素、すなわち、ある場合には接続的に存在し、別の場合には離接的に存在する要素の「いずれか一方または両方」を意味すると理解されるべきである。特に明記のない限り、「および／または」の節によって具体的に特定される要素以外の他の要素が、具体的に特定されるそれらの要素に関連するか否かに関わらず、必要に応じて存在していてもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「〜を含む」などのオープンエンド用語と共に使用される場合、１つの実施形態においては、ＡであってＢを含まないことを意味し（Ｂ以外の要素を含んでもよい）、別の実施形態においては、ＢであってＡを含まないことを意味し（Ａ以外の要素を含んでもよい）、さらに別の実施形態においては、ＡおよびＢの両方を意味し得る（他の要素を含んでもよい）。
本明細書および本特許請求の範囲において使用される場合、「または」は、上記で定義されたような「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、一覧の項目を分割する場合、「または」または「および／または」は、包括的であるとして解釈されるべきであり、すなわち、多くの要素もしくは一覧の要素、並びに必要に応じてさらに一覧に未掲載の項目の、少なくとも１つを包含するが、１つより多くも包含すると解釈されるべきである。それとは反対の意味を明示する用語のみ、例えば「〜の１つだけ」もしくは「〜の厳密に１つ」、または特許請求において使用される場合、「〜のみから成る」は、多くの要素もしくは一覧の要素のうちの厳密に１つの要素を包含することを意味する。一般的に、本明細書で使用される場合、「または」なる用語は、排他的な用語、例えば、「いずれか一方」、「〜の１つ」、「〜の１つだけ」または「〜の厳密に１つ」など、が先行する場合のみ、排他的な代替（すなわち、「一方または他方であるが両方ではない」）を示すと解釈されるべきである。「〜のみから実質的に成る」は、本特許請求の範囲において使用される場合、特許法の分野で使用されるその通常の意味を有するべきである。
本明細書中および本特許請求の範囲において使用される場合、語句「少なくとも１つ」は、１つ以上の要素の一覧に関する場合、その要素の一覧中の任意の１つ以上の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素の一覧内に具体的に列挙されているありとあらゆる要素の少なくとも１つを必ずしも包含するわけではなく、またその要素の一覧中の要素の任意の組み合わせを排除するものでもないとして理解されるべきである。この定義は、さらに、「少なくとも１つ」という語句が意味する要素の一覧内で具体的に特定される要素以外の要素が、具体的に特定されたこれらの要素に関係するか否かに関わらず、存在していてもよいことを可能にする。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または、同義に「ＡまたはＢの少なくとも１つ」、または同義に「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」）は、１つの実施形態においては、少なくとも１つの、必要に応じて１つ以上のＡであってＢは存在しないことを意味し（並びに必要に応じてＢ以外の要素を含んでもよい）、別の実施形態においては、少なくとも１つの、必要に応じて１つ以上のＢであってＡは存在しないことを意味し（並びに必要に応じてＡ以外の要素を含んでもよい）、さらに別の実施形態においては、少なくとも１つの、必要に応じて１つ以上のＡ、および少なくとも１つの、必要に応じて１つ以上のＢを意味し得る（並びに必要に応じて他の要素を含んでもよい）。
本特許請求の範囲において、並びに上記の本明細書において、「を含む（”ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”）」「を含む（”ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”）」「を有する（”ｃａｒｒｙｉｎｇ”）」「を有する（”ｈａｖｉｎｇ”）」「を含む（”ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ”）」「を含む（”ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ”）」「を保持する（”ｈｏｌｄｉｎｇ”）」などの全ての移行句は、オープンエンドであり、すなわち、含むことを意味するが、それらに限定されるものではないと理解されるべきである。移行句「〜から成る（”ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ”）」および「〜から実質的に成る（”ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ”）」だけは、Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ Ｏｆｆｉｃｅ Ｍａｎｕａｌ ｏｆ Ｐａｔｅｎｔ Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ、Ｓｅｃｔｉｏｎ ２１１１．０３に記載されているように、それぞれ制限的語句または半制限的語句であるものとする。

Claims (99)

  1. 下記式を有する化合物
    を含む組成物であって、
    Figure 2010521429
     式中、
    Ａは、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子であり、
    Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一かまたは異なっていてもよく、かつ、＝Ｏ、ヒドロキシ、ハロゲン化物、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、またはヘテロアリールであり、必要に応じて置換され、
    Figure 2010521429
     は、単結合もしくは二重結合である、組成物。
  2. 下記式を有する化合物
    を含む組成物であって、
    Figure 2010521429
     式中、
    Ａは、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子であり、
    Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一かまたは異なっていてもよく、それぞれが原子もしくは化学基であり、ただし、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の少なくとも１つは、第二の原子もしくは化学基で置き換えることができるか、あるいはＲ１、Ｒ２、またはＲ３以外の該化合物の残りに対して非反応性である条件下において第二の原子もしくは化学基への結合に関与することができ、
    Figure 2010521429
     は、単結合もしくは二重結合である、組成物。
  3. 下記構造を含み、
    Figure 2010521429
     式中、
    Figure 2010521429
     は、前記非平面状芳香族部分を含む、請求項１に記載の組成物。
  4. 前記非平面状芳香族部分が芳香族環の縮合網様構造を含み、該縮合網様構造の終結している境界を必要に応じて含み、ただし、前記構造：
    Figure 2010521429
     が、該縮合網様構造の少なくとも２つの芳香族環の環原子である２つの原子を介して該網様構造に縮合している、
    請求項１に記載の組成物。
  5. 前記非平面状芳香族部分が、ｓｐ２．ｘの混成を有する炭素原子を含み、ただし、ｘは１〜９である、請求項１に記載の組成物。
  6. Ｒ１が、下記構造を有し、
    Figure 2010521429
     式中、
    Ｘは、Ｈ、ＯＨ、ハロゲン化物、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、ヘテロアリール、またはこれらの塩であり、必要に応じて置換され、
    Ｒ２は脱離基であり、Ｒ３は、＝Ｏ、＝Ｓ、または＝ＮＲ４である、請求項１に記載の組成物。
  7. 前記脱離基が、電子吸引基で置換されたアリールオキシ基である、請求項６に記載の組成物。
  8. 前記脱離基が、構造：
    Figure 2010521429
     を有する、請求項６に記載の組成物。
  9. 下記構造を有する化合物を含み、
    Figure 2010521429
     式中、Ｒ１はエステルであり、Ｒ２は脱離基である、請求項３に記載の組成物。
  10. Ｒ１が、酸塩化物、カルボン酸もしくはその塩、エステル、アミド、またはこれらの置換誘導体である、請求項９に記載の組成物。
  11. 前記化合物が、構造：
    Figure 2010521429
     を有する、請求項１に記載の組成物。
  12. 前記化合物が、下記構造を有し、
    Figure 2010521429
     式中、Ｒ５は、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、ヘテロアリール、またはこれらの塩であって、必要に応じて置換される、請求項１に記載の組成物。
  13. Ｒ１、Ｒ２、またはＲ３が架橋基を含む、請求項１に記載の組成物。
  14. 前記架橋基が、酸塩化物、アルケン、アルキン、またはハロゲン化物である、請求項１３に記載の組成物。
  15. 前記化合物と組み合わされた少なくとも１種のポリマーをさらに含む、請求項１に記載の組成物。
  16. 前記ポリマーが、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリウレア、ポリウレタン、およびポリアリールエーテルである、請求項１５に記載の組成物。
  17. 前記炭素含有分子がフラーレンである、請求項１に記載の組成物。
  18. 前記炭素含有分子がカーボンナノチューブである、請求項１に記載の組成物。
  19. 前記炭素含有分子が単層カーボンナノチューブである、請求項１に記載の組成物。
  20. 前記炭素含有分子が多層カーボンナノチューブである、請求項１に記載の組成物。
  21. Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３のうちの任意の２つが結合して環を形成している、請求項１に記載の組成物。
  22. Ｒ１およびＲ３が結合して少なくとも６個の環原子を含む環を形成している、請求項２１に記載の組成物。
  23. 請求項１に記載の組成物を含むセンサー。
  24. 請求項１に記載の組成物を含む光起電デバイス。
  25. 請求項１に記載の組成物を含む電極。
  26. 請求項１に記載の組成物を含む、ポリマー物品のための強化素子。
  27. 請求項１に記載の組成物を含む化粧品。
  28. 請求項１に記載の組成物を含む生体撮像用薬剤。
  29. 請求項１に記載の組成物を含む医学診断用薬剤。
  30. 請求項１に記載の組成物を含むトランジスタ。
  31. 請求項１に記載の組成物を含む溶液。
  32. 請求項１に記載の組成物を含む分散物。
  33. 請求項１に記載の組成物を含むイオン性集合体。
  34. 請求項１に記載の組成物を含むポリマー性機械式アクチュエータ。
  35. 前記化合物がＤＮＡを含む、請求項１に記載の組成物。
  36. 前記化合物がＲＮＡを含む、請求項１に記載の組成物。
  37. 前記化合物がＰＮＡを含む、請求項１に記載の組成物。
  38. 前記化合物がタンパク質を含む、請求項１に記載の組成物。
  39. 芳香族環の縮合網様構造の終結している境界を必要に応じて含む該縮合網様構造と、該網様構造の少なくとも２つの芳香族環の環原子である２つの原子を介して該網様構造に縮合している５員環の炭素環を含む官能基と
    を含む組成物。
  40. 前記炭素含有分子がフラーレンである、請求項３９に記載の組成物。
  41. 前記炭素含有分子がカーボンナノチューブである、請求項３９に記載の組成物。
  42. 前記炭素含有分子が単層カーボンナノチューブである、請求項３９に記載の組成物。
  43. 前記炭素含有分子が多層カーボンナノチューブである、請求項３９に記載の組成物。
  44. 下記式を有する化合物を含み、
    Figure 2010521429
     式中、
    Ａは、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子であり、
    Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一かまたは異なっていてもよく、それぞれが原子もしくは化学基であり、ただし、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の少なくとも１つは、第二の原子もしくは化学基で置き換えることができるか、あるいはＲ１、Ｒ２、またはＲ３以外の該化合物の残りに対して非反応性の条件下において第二の原子もしくは化学基への結合に関与することができ、
    Figure 2010521429
     は、単結合もしくは二重結合である、請求項３９に記載の組成物。
  45. アルキンと、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子と、５．０より大きいｐＫａを有する共役酸を有する求核試薬とを反応させて、置換された炭素含有分子を形成する工程
    を包含する、置換された炭素含有分子を合成するための方法。
  46. さらに、前記置換された炭素含有分子と官能基前駆体とを反応させて、該官能基と該炭素含有分子との間に結合を形成する工程
    を包含する、請求項４５に記載の方法。
  47. 前記非平面状芳香族部分が、芳香族環の縮合網様構造の終結している境界を必要に応じて含む該縮合網様構造と、該網様構造の少なくとも２つの芳香族環の環原子である２つの原子を介して該網様構造に縮合している環を含む官能基とを含む、請求項４５に記載の方法。
  48. 前記アルキンが電子吸引基を含む、請求項４５に記載の方法。
  49. 前記電子吸引基が、カルボニル基、スルホニル基、ホスホニル基、シアノ基、またはニトロ基を含む、請求項４８に記載の方法。
  50. 前記求核試薬が、１０．０より大きいｐＫａを有する共役酸を有する、請求項４５に記載の方法。
  51. 前記求核試薬が、１５．０より大きいｐＫａを有する共役酸を有する、請求項４５に記載の方法。
  52. 前記求核試薬が、２０．０より大きいｐＫａを有する共役酸を有する、請求項４５に記載の方法。
  53. 前記求核試薬が、２５．０より大きいｐＫａを有する共役酸を有する、請求項４５に記載の方法。
  54. 前記求核試薬が、必要に応じて置換されるヘテロアルキル基もしくはヘテロアリール基を含む、請求項４５に記載の方法。
  55. 前記求核試薬が、Ｎ（Ｒ６）３、Ｐ（Ｒ６）３、Ｏ（Ｒ６）２、Ｓ（Ｒ６）２、ピリジン、ピロール、チオフェン、フラン、またはそれらの置換誘導体であり、ただし、Ｒ６は、ハロゲン化物、ヒドロキシ、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、アリール、ヘテロアリール、またはそれらの塩であり、必要に応じて置換される、請求項４５に記載の方法。
  56. 前記求核試薬がＮ，Ｎ−ジメチルアミノピリジンである、請求項４５に記載の方法。
  57. 前記求核試薬がイミダゾールである、請求項４５に記載の方法。
  58. 前記炭素含有分子がフラーレンである、請求項４５に記載の方法。
  59. 前記炭素含有分子がカーボンナノチューブである、請求項４５に記載の方法。
  60. 前記反応工程が１００℃未満の温度で実施される、請求項４５に記載の方法。
  61. 前記反応工程が８０℃未満の温度で実施される、請求項４５に記載の方法。
  62. 前記反応工程が６０℃未満の温度で実施される、請求項４５に記載の方法。
  63. 前記反応工程が４０℃未満の温度で実施される、請求項４５に記載の方法。
  64. 前記反応工程が３０℃未満の温度で実施される、請求項４５に記載の方法。
  65. 前記反応工程が５０００気圧未満の圧力で実施される、請求項４５に記載の方法。
  66. 前記反応工程が１０００気圧未満の圧力で実施される、請求項４５に記載の方法。
  67. 前記反応工程が５００気圧未満の圧力で実施される、請求項４５に記載の方法。
  68. 前記反応工程が１００気圧未満の圧力で実施される、請求項４５に記載の方法。
  69. 前記反応工程が５０気圧未満の圧力で実施される、請求項４５に記載の方法。
  70. 前記反応工程が１０気圧未満の圧力で実施される、請求項４５に記載の方法。
  71. 前記反応工程が約１気圧の圧力で実施される、請求項４５に記載の方法。
  72. 前記置換された炭素含有分子が、下記式を有し、
    Figure 2010521429
     式中、
    Ａは、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子であり、
    Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一かまたは異なっていてもよく、それぞれが原子もしくは化学基であり、ただし、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の少なくとも１つは、第二の原子もしくは化学基で置き換えることができるか、あるいはＲ１、Ｒ２、またはＲ３以外の該化合物の残りに対して非反応性の条件下において第二の原子もしくは化学基への結合に関与することができ、
    Figure 2010521429
     は、単結合もしくは二重結合である、請求項４５に記載の方法。
  73. 置換された炭素含有分子を合成するための方法であって、該方法は、
    １００℃未満の温度かつ１０，０００気圧未満の圧力で、アルキンと、炭素含有分子と、求核試薬とを反応させて生成物を形成する工程を含み、
    該生成物が、芳香族環の縮合網様構造と、少なくとも４つの環原子を含む環を含む官能基とを含む置換された炭素含有分子であり、該官能基は、該網様構造の少なくとも２つの芳香族環の環原子である２つの原子を介して該網様構造に縮合している、方法。
  74. 該反応工程が１００℃未満の温度で実施される、請求項７３に記載の方法。
  75. 該反応工程が８０℃未満の温度で実施される、請求項７３に記載の方法。
  76. 該反応工程が６０℃未満の温度で実施される、請求項７３に記載の方法。
  77. 該反応工程が４０℃未満の温度で実施される、請求項７３に記載の方法。
  78. 該反応工程が３０℃未満の温度で実施される、請求項７３に記載の方法。
  79. 前記反応工程が５０００気圧未満の圧力で実施される、請求項７３に記載の方法。
  80. 前記反応工程が１０００気圧未満の圧力で実施される、請求項７３に記載の方法。
  81. 前記反応工程が５００気圧未満の圧力で実施される、請求項７３に記載の方法。
  82. 前記反応工程が１００気圧未満の圧力で実施される、請求項７３に記載の方法。
  83. 前記反応工程が５０気圧未満の圧力で実施される、請求項７３に記載の方法。
  84. 前記反応工程が１０気圧未満の圧力で実施される、請求項７３に記載の方法。
  85. 前記反応工程が約１気圧の圧力で実施される、請求項７３に記載の方法。
  86. 前記生成物が、下記式を有する化合物であり、
    Figure 2010521429
     式中、
    Ａは、非平面状芳香族部分を含む炭素含有分子であり、
    Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一かまたは異なっていてもよく、それぞれが原子もしくは化学基であり、ただし、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の少なくとも１つは、第二の原子もしくは化学基で置き換えることができるか、あるいはＲ１、Ｒ２、またはＲ３以外の該化合物の残りに対して非反応性の条件下において第二の原子もしくは化学基への結合に関与することができ、
    Figure 2010521429
     は、単結合もしくは二重結合である、請求項７３に記載の方法。
  87. 請求項１に記載の組成物を含む電気化学触媒。
  88. 前記触媒が、水を還元して水素を生成することができる、請求項８７に記載の電気化学触媒。
  89. 前記触媒が、二酸化炭素を還元することができる、請求項８７に記載の電気化学触媒。
  90. 前記触媒が、酸素を還元して水を生成することができる、請求項８７に記載の電気化学触媒。
  91. 前記触媒が、水を酸化して酸素を生成することができる、請求項８７に記載の電気化学触媒。
  92. 前記触媒が、水素を酸化してプロトンを生成することができる、請求項８７に記載の電気化学触媒。
  93. 前記触媒が、メタノールを酸化して水および／または二酸化炭素を生成することができる、請求項８７に記載の電気化学触媒。
  94. 前記化合物が金属錯体を含む、請求項１に記載の組成物。
  95. 前記化合物が電気触媒基を含む、請求項１に記載の組成物。
  96. 請求項１に記載の組成物を含むバッテリー。
  97. 前記炭素含有分子が水溶性である、請求項１に記載の組成物。
  98. 前記炭素含有分子が水溶性である、請求項２に記載の組成物。
  99. 前記炭素含有分子が水溶性である、請求項３９に記載の組成物。
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