我们介绍了金属间化合物前驱体 K4Ge9 的高温合成方法,将其溶于乙二胺以形成 Ge94- 三角面体 Zintl 阴离子,并进一步使这些团簇与炔烃反应生成有机-Zintl 阴离子。后者通过溶液中的电喷雾质谱法以及固态下的单晶X射线衍射法进行表征。
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我们介绍了金属间化合物前驱体 K4Ge9 的高温合成方法,将其溶于乙二胺以形成 Ge94- 三角面体 Zintl 阴离子,并进一步使这些团簇与炔烃反应生成有机-Zintl 阴离子。后者通过溶液中的电喷雾质谱法以及固态下的单晶X射线衍射法进行表征。
尽管对Zintl离子的早期研究可追溯至19世纪90年代至20世纪30年代初,但其结构直到多年后才得以表征。1,2 这些离子的氧化还原化学发展更晚,仅有大约十年的历史;然而,尽管历史短暂,这些三角面体簇离子E9n-(E = Si, Ge, Sn, Pb;n = 2, 3, 4)已展现出丰富而多样的反应性,并处于快速发展的新兴化学前沿。3-6 重要进展包括Ge94-簇的氧化偶联反应生成低聚物和无限链状结构,7-19 其金属化反应,14-16,20-25 被过渡金属有机金属片段封端,26-34 在簇中心插入过渡金属原子(有时与封端和低聚化结合),35-47 添加主族有机金属片段作为外键取代基,48-50 以及通过与有机卤化物和炔烃反应,引入多种有机残基进行功能化修饰。51-58
将有机片段直接连接到原子簇上的这一最新进展开辟了一个新的研究领域,即有机锌烷化学,该领域在进一步的合成探索中具有巨大潜力,本文所述即为锗-二乙烯基原子簇合成的逐步操作步骤。初始步骤概述了由K4Ge9合成金属间前驱体的过程,随后在溶液中提取出Ge94-原子簇。该过程涉及熔融石英玻璃吹制、铌制容器的电弧焊接,以及在手套箱中操作高度空气敏感的材料。将空气敏感的K4Ge9在手套箱中溶于乙二胺,随后与Me3SiC≡CSiMe3反应实现烯基化。通过电喷雾质谱监测反应进程,所得溶液用于培养含有官能团化原子簇[H2C=CH-Ge9-CH=CH2]2-的单晶。为此,将溶液离心、过滤后,小心地覆上一层18-冠-6的甲苯溶液。静置数天后,分层溶液中析出橙色块状晶体[K(18-crown-6)]2[Ge9(HCCH2)2]•en,其结构经单晶X射线衍射表征确认。
该过程重点介绍了功能化三角面体Zintl团簇的标准反应技术、后处理及分析方法。希望这将有助于推动科学界对这类化合物的进一步发展与深入理解。
1. 准备铌管
2. 装载铌管:制备K4Ge9
3. 通过玻璃吹制法制备熔融石英管
4. 使用高真空系统密封熔融石英管
5. 在炉中加热反应混合物
6. 在乙二胺中溶解前体
7. Ge9-团簇与Me3SiC≡CSiMe3的反应
8. 反应溶液的电喷雾质谱分析
9. 使用隔离剂结晶化 Ge9-二乙烯基离子
10. 在 D8 衍射仪上检测晶体晶胞
11. 代表性结果
阴离子簇独特的同位素分布模式使其能够在负离子模式下被轻松检测到(图1)。此外值得注意的是,在这种软电离技术中,除了与钾离子配对外,单电荷还原物种的出现也是一种常见现象。59
化合物[K(18-冠-6)]2[Ge9(HCCH2)2]•en(1)中[Ge9(CH=CH2)2]2-的晶体结构及其相关的键长和键角如图2所示。
![figure-protocol-1 聚合物质谱图;离子峰 {K[CH₂=CH-Ge₉-CH=CH₂]}⁻;数据分析结果。](/files/ftp_upload/3532/3532fig1.jpg)
图1. Ge9团簇与Me3SiC≡CSiMe3反应的乙二胺溶液的电喷雾质谱(负离子模式)。图中同时展示了实验分布下方的理论同位素分布。(Sevov 等,Inorg. Chem. 2007,46,10953。)

图2. 一个视角 [K(18-冠-6)]2[地质学]9(HCCH2)2]•en, 1颜色方案:
葛,
= C
H. 选定的键长与键角:Ge-C 1.961 和 1.950 Å,C=C 1.318 和 1.316 Å,Ge-C-C 123 和 127 °.(Sevov 等) Inorg. Chem. 2007, 46, 10953.)

图 3. 制备铌管的示意图:(a) 切割铌管;(b) 在铌酸溶液中清洗铌管;(c) 使用钳子压扁并弯曲铌管。

图 4. 铌管制备的示意图:(a)电弧焊机示意图;(b)电弧焊机夹具中交错排列的铌管;(c)位于铌管上方的焊接焊头。

图 5. 加载铌管的示意图:(a) 在手套箱内;(b) 铌管:(i) 焊接前,(ii) 使用钳子夹紧一端边缘后,(iii) 一端焊接后,(iv) 装入样品并焊接封闭后,(v) 打开铌管取出 K4Ge9 前驱体后。

图6. 玻璃吹制法制备熔融石英管的示意图:(a) 和 (b) 分别显示 (i) 大小不同的石英管,(ii) 管体与管颈密封连接,(iii) 带球形接头的管颈,(iv) 管颈与球形接头密封连接,(v) 铌管密封于石英管内部,(vi) 熔融石英管完成密封后的状态。

图 7. 在高真空系统上密封熔融石英管的示意图,(a) 和 (b) 显示 Nb 管密封后,铌酸溶液对石英管的腐蚀情况。

图8. 将装载好的熔融石英管放入炉中的示意图。

图9. 在手套箱内使K4Ge9与Me3SiC≡CSiMe3反应的示意图(a)(i) 未打开的铌管,(ii) 用剪钳剪开铌管的一端,(iii) 剪钳,(iv) 粉碎后的前驱体;以及(b)(i) 前驱体溶于乙二胺中,(ii) 加入Me3SiC≡CSiMe3后立即观察到的现象(试管壁顶部可见油状液滴)。

图10. 反应溶液电喷雾质谱(ES-MS)运行示意图:(a)在干燥箱中制备的质谱仪注射器;(b)Bruker Microtof-II。

图11. (a) 反向扩散法及 (b) 数小时后,Ge9-二乙烯基与螯合剂共结晶过程的示意图。

图12. 在D8衍射仪上检测晶体晶胞的示意图:(a) 在显微镜下选择晶体,(b) 收集晶胞数据。
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必须充分清洗部分氧化的 Nb 管。然而,若将管子在 Nb 清洗液中放置过久,会严重削弱管壁厚度。因此,清洗时间必须控制在 10 – 15 秒,且最终管子表面应非常光亮(图 3)。在将管子密封入熔融石英护套内后,应再次使用稀释的 Nb 酸溶液进行清洗。此过程应产生轻微的气泡,以清除 Nb 管在焊接或玻璃吹制过程中产生的氧化区域。但需注意,不可放置过久,因为酸溶液会腐蚀玻璃(图 7b)。
必须确保碱金属完全置于前驱体管底部,不得有任何金属残留在铌管顶部侧面或开口处。这样可在加热过程中使焊接更便捷,并防止金属熔化后喷溅。 (提示:可用擦拭纸包裹刮勺彻底清理。)
焊接装有样品的铌管时,不要在铌管完全密封前让焊枪尖端停留过久。(提示:如果发生这种情况,(a) 铌管与焊枪尖端会焊在一起;(b) 钾(s)会熔化并从管中泄漏(爆裂)。)
通过玻璃吹制法制备熔融石英护套时,需注意一些关键提示和要点(图6)。首先,务必扎好头发,避免穿着宽松的袖口衣物。在将任何管材插入火焰前,始终佩戴石英安全...
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未声明任何利益冲突。
作者谨此感谢美国国家科学基金会提供的持续资金支持(CHE-0742365)以及用于购置Bruker APEX II衍射仪(CHE-0443233)和Bruker Microtof-II质谱仪(CHE-0741793)的资金。作者还感谢CEST设施提供Micromass Quattro-LC质谱仪的使用机会。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| D8-X射线衍射仪 | Bruker Corporation | Bruker APEX II | |
| 电喷雾质谱仪 | Bruker Corporation | Microtof-II | |
| 电喷雾质谱仪 | Micromass | Quattro-LC | 三重四极杆 |
| 干燥箱 | Innovative Technology | S-1-M-DL | IT-Sys1 型号 |
| 惰性气体/真空屏蔽电弧焊接装置 | LDS Vacuum Products | 特殊订制 | |
| 电弧焊电源 | Miller | Maxstar-91 | |
| 焊接橡胶手套 | Home Depot | KH643 | |
| 电动刻字笔 | Burgess Products | 74 | Vibro-Graver |
| 圆形玻璃切割锯 | Pistorius Machine Co. Inc | GC-12-B | |
| 管式炉 | Lindberg/Blue M | TF55035 | Minimite 实验室管式炉,Moldatherm(1100 °C) |
| 玻璃干燥烘箱 | Fisher Scientific | 13-247-650G | |
| 高真空汞Schlenk线 | 特殊订制 | 圣母大学 | 替代型号:Edwards E050/60;VWR 国际;货号 EVB302-07-110 |
| 大型焊枪 | Victor Technologies | JT100C | 焊接焊枪,喷嘴:Victor 5-W-J |
| 小型焊枪 | Veriflo Co. | 3A | 吹管 |
| 特斯拉线圈 | VWR international | KT691550-0000 | 检漏仪 |
| 搅拌器/加热板 | VWR international | 12620-970 | VWR 加热板 STR DY-DUAL120V |
| 天平 | Denver Instrument | 100A | XE 系列 |
| 离心机 | LW Scientific, Inc. | E8C-08AV-1501 | 可调速 |
| 石墨扩孔器(扩口用) | ABR Imagery, Inc. | 850-523 B01 | 用于玻璃加工中开孔及边缘扩口 |
| 点火器 | Fisher Scientific | 12-007 | |
| 锁紧钳 | Home Depot | 0902L3SM | |
| 管子切割器 | Home Depot | 32820 | |
| 剪切钳 | Home Depot | 437 | |
| 塑料烧杯 | VWR international | 13890-046 | |
| 量筒 | VWR international | 65000-006 | 注意:氢氟酸会腐蚀玻璃(若使用玻璃量筒) |
| 大塑料瓶 | VWR international | 16128-542 | |
| 13 x 100 试管 | VWR international | 47729-572 | 培养管 13X100 CS1000 |
| 实验室(橡胶)塞子 | Sigma-Aldrich | Z164437-100EA | 00号 |
| 试管架 | VWR international | 60196-702 | 适用于外径10-13 mm的试管 |
| 搅拌子 | StirBars.com/Big Science Inc. | SBM-0803-MIC | PTFE材质,8x3 mm微型 |
| 玻璃移液管 | VWR international | 14673-043 | VWR PIPET PASTEUR 9IN CS1000 |
| 橡胶吸头 | VWR international | 56311-062 | 乳胶,薄壁 |
| 玻璃棉 | Unifrax I LLC | 6048 | Fiberfrax散装纤维隔热材料,陶瓷纤维 |
| 载玻片 | VWR international | 16004-422 | 75x25x1mm,显微镜载玻片 |
| Paratone-N油 | Hampton Research | Parabar 10312 | 又称:Paratone-N、Paratone-8277、Infineum V8512 |
| 高真空硅脂 | VWR international | 59344-055 | Dow Corning |
| 液氮 | 圣母大学 | ||
| 氩气钢瓶 | Praxair, Inc. | TARGHP | |
| 氮气钢瓶 | Praxair, Inc. | QNITPP | |
| 氧气钢瓶 | Praxair, Inc. | OT | 337立方英尺钢瓶 |
| 氢气钢瓶 | Praxair, Inc. | HK | 195立方英尺钢瓶 |
| 丙烷气源/钢瓶 | 圣母大学 | UND | |
| 石英管,长 | Quartz Scientific Inc. | 100020B | 内径20 mm × 外径22 mm × 长48英寸,透明熔融石英管 |
| 石英管,中 | Quartz Scientific Inc. | 100007B | 透明熔融石英管,内径7 mm × 外径9 mm × 长48英寸 |
| 圆底石英接头 | Quartz Scientific Inc. | 6160189B | 球形接头 |
| 石英防护眼镜 | Wale Apparatus | 11-1127 | waleapparatus.com |
| Pyrex防护眼镜 | Wale Apparatus | 11-2125-B3 | 适用于透明及有色硼硅酸盐玻璃 |
| 吹管软管套装 | Glass House | BH020 | glasshousesupply.com |
| 铌管 | Shaanxi Tony Metals Co., Ltd | 铌管,50英尺 | 无缝铌管,外径:0.375(±0.005)英寸。 壁厚:0.02(±0.003)英寸,铌应经退火处理。 |
| 质谱用PEEK初学者套件 | Waters | PSL613321 | PEEK(聚醚醚酮)管、螺母、卡套,适配 |
| 质谱针头套装 | VWR international | 60373-992 | Hamilton制造商(81165) |
| H2SO4 | VWR international | BDH3072-2.5LG | ACS级 |
| HNO3 | VWR international | BDH3046-2.5LPC | ACS级 |
| HF | VWR international | BDH3040-500MLP | ACS级 |
| 蒸馏水 | 圣母大学 | UND | |
| 丙酮 | VWR international | BDH1101-4LP | |
| 乙二胺 | VWR international | AAA12132-0F | 99%,2.5 L |
| 甲苯 | VWR international | 200004-418 | 99.8%,无水 |
| 汞 | Strem Chemicals, Inc. | 93-8046 | |
| 金属钾(K) | Strem Chemicals, Inc. | 19-1989 | 密封于玻璃安瓿中,氩气保护 |
| 锗(Ge)粉末 | VWR international | AA10190-18 | 锗粉 -100目,99.999%,50克 |
| 双(三甲基硅基)乙炔(Me3SiC≡CCSiMe3) | Fisher Scientific | AC182010100 | |
| 18-冠-6(1,4,7,10,13,16-六氧杂环十八烷) | VWR international | 200001-954 | 99%,25克 |
| 2,2,2-穴醚(4,7,13,16,21,24-六氧-1,10-二氮杂二环[8.8.8]二十六烷) | Sigma-Aldrich | 291110-1G | 98% |
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