Methodenartikel

Synthese von Thiol Baustein für die Kristallisation eines halbleitenden Gyroidal Metall-Schwefel-Rahmens

DOI:

10.3791/57455

⸱

9. April 2018

 ,  ,  , 
1School of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology, 2Department of Chemistry, City University of Hong Kong

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Hier präsentieren wir Ihnen eine ein-Topf, Übergangs-metallfreie Synthese der Thiole und Thioesters aus aromatischen Halogeniden und Natrium Thiomethoxide, gefolgt von der Vorbereitung von Einkristallen aus einem Metall-Dithiolene-Netzwerk mit Thiol-Arten erzeugt in situ aus stabiler und gefügig Thioester.

Zusammenfassung

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Wir präsentieren Ihnen ein Verfahren zur Herstellung von Thioester Moleküle als maskierte Form der Thiol-Linker und deren Nutzung für den Zugriff auf eine halbleitende und poröse Metall-Dithiolene Netzwerk in die hochgeordnete einzelne kristallinen Zustand. Im Gegensatz zu der hochreaktiven freistehende Thiole, die dazu neigen zu zerlegen und die Kristallisation von Metall-Thiolate offenen Rahmenbedingungen erschweren, reagiert der Thioester in Situ bieten die Thiol-Arten dienen zur Minderung der Reaktion zwischen den Mercaptan Einheiten und die Metall-Zentren und Kristallisation folglich zu verbessern. Insbesondere wurde die Thioester in einem ein-Topf-Verfahren synthetisiert: eine aromatische Bromid (Hexabromotriphenylene) reagiert mit überschüssigem Natrium Thiomethoxide unter energischen Bedingungen zuerst das Zwischenprodukt Thioether bilden. Der Thioether war dann demethylated durch die überschüssige Thiomethoxide, Thiolate Anion bereitzustellen, die Acylated, das Thioester Produkt zu bilden war. Die Thioester wurde durch standard Säulenchromatographie bequem gereinigt und dann direkt in die Rahmen-Synthese, wobei NaOH und Ethylenediamine dienen dazu, in Situ zurückkehren, Thioester an den Thiol-Linker verwendet für die Montage der Single-kristalline Pb (II)-Dithiolene-Netzwerk. Im Vergleich zu anderen Methoden für die Thiol-Synthese (zB., durch Spaltung Alkyl Thioether mit Natrium Metall und flüssigem Ammoniak), die Thioester Synthese hier verwendet einfachen Bedingungen und wirtschaftliche Reagenzien. Darüber hinaus das Thioester Produkt ist stabil und bequem bearbeitet und gespeichert werden kann. Noch wichtiger ist, im Gegensatz zu der generischen Schwierigkeiten beim Zugang zu kristallinen Metall-Thiolate offenen Rahmenbedingungen zeigen wir, dass mit der Thioester für in Situ Bildung der Thiol-Linker die Kristallinität der die Solid-State-verbessert Produkt. Wir beabsichtigen, breitere Forschungsanstrengungen auf die technologisch wichtige Metall-Schwefel-Frameworks durch Offenlegung der synthetischen Protokoll für die Thioester sowie feste kristalline Rahmen zu fördern.

Einleitung

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Es gibt derzeit großes Interesse bei der Einstellung von starken, Kopfprodukt Metall-Schwefel (zB., Metall-Thiolate) Links für den Bau von öffnen Rahmen Materialien mit verbesserten elektrokatalytische und leitenden Eigenschaften1,2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10. neben der Förderung der elektronischen Interaktion und Transport im ausgezogenen Zustand, die weichen und kovalenten Metall-Schwefel-Verbindungen auch bessere Stabilität für den Einsatz in wässrigen Umgebungen vermitteln. Unter den Schwefel ausgestatteten Bausteine, symmetrisch wie mehrzähnigen polyzyklische aromatische Bausteine 2,3,6,7,10,11-Triphenylene Hexathiol (HTT)9,11,12,13 , 14 nicht nur höchst Kopfprodukt π-Elektronen zu liefern, sondern auch bieten deutliche Vorteile in Bezug auf Rahmen Design und Synthese. Erstens dient die starre und symmetrische Triphenylene Kern, in Verbindung mit den Komplexbildnern Dithiolene Gruppen von HTT, in Metall-Ionen in regelmäßigen Verklebung Motive, Vereinfachung der strukturellen Vorhersage der zukünftigen Netzwerk7, zu sperren 15. zusammen mit der starren und offene Geometrie der Schwefel Linker Rahmen Strukturen mit erheblichen Porosität Eigenschaften häufig im festen Zustand erreicht werden.

Eine große Herausforderung in der Montage von Thiol ausgestatteten Metall orangic Framework (MOF) Materialien wurzelt in der Synthese der organischen Linker Moleküle. In einem klassischen Protokoll musste die Thiol-Gruppe die Phenol-Gruppe mit der Newman-Kwart Neuordnung der O- Aryl Thiocarbamate Vorläufer16,17,18abgeleitet werden. Dieser Ansatz beinhaltet jedoch aufwendige präparative Schritte für Phenol-Vorläufer-Molekül sowie mögliche Komplikationen einer Hochtemperatur-Festphasen-Transformation. Ein weiterer Weg, um Thiole nutzt reduktive Dealkylation Thioethers unter den harten Bedingungen, z. B. Natrium Metall in flüssigem Ammoniak19,20,21,22, und ist nicht kompatibel mit der Carboxylgruppen und viele andere Spender-Funktionen für Netzaufbau.

Zum Vergleich: die hier vorgestellten Protokoll hat mehrere Vorteile: Sicherheit, Komfort, Wirtschaftlichkeit und Kompatibilität mit anderen funktionellen Gruppen (zB., Carbonitrile und Pyridinyl). Durch die in der Regel kostengünstig aromatischen Halogenid kräftig Erhitzen (zB., Hexabromotriphenylene) und Thiomethoxide Anion, Thiolate Anion (über das Methyl Thioether Zwischenprodukt) generiert wurde und dann Acylated, den Stall zu geben und einfach zu handhabende Thioester Produkt-alle in einen Topf.

Wir werden auch ein Verfahren zur Nutzung der Thioester-Moleküle als maskierte Form der Thiol-Linker für den Zugriff auf ein Single-kristalline halbleitenden und poröse Metall-Dithiolene Netzwerk beschreiben. Im Gegensatz zu der hochreaktiven freistehende Thiole, die dazu neigen zu zerlegen und die Kristallisation von Metall-Thiolate offenen Rahmenbedingungen erschweren, die Thioester leicht gespalten (zB., NaOH oder Ethylenediamine) in Situ , bieten die Thiol-Arten dienen, um die Reaktion zwischen den Mercaptan-Einheiten und die Metall-Zentren zu mildern, und folglich die Kristallisation zu verbessern.

Dieses Protokoll der Vorbereitung Thiol/Thioester hat nicht von anderen Gruppen seit dem aufstrebenden Gebiet der Metall-Schwefel-Frameworks, weit verbreitet, obwohl nukleophilen Dealkylations von Alkyl-Aryl-Thioethers durch Thiolate Anionen durch organische bereits gut dokumentiert wurden Chemiker23,24,25,26. Durch die Präsentation dieser effiziente synthetische Methode für Thioesters und deren Verwendung für die Kristallisation von Metall-Schwefel-Netzwerken zu erleichtern, möchten wir weitere Anstrengungen zur Überwindung der intellektuellen und praktischen Kluft zwischen synthetische organische Chemie zu fördern und Solid-State-Chemie, um die schnelle und gesunde Entwicklung der porösen Frameworks zu helfen.

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Protokoll

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Achtung: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter vor Gebrauch. Methyl-Disulfid und Natrium-Thiomethoxide sind stark riechende und sollte in einer Dampfhaube behandelt werden. Natrium-Metall ist hochreaktiv und erfordert spezielle Sicherheitsvorkehrungen gegen mögliche Brand- und Explosionsgefahren. Neben dem Einsatz von einem Abzug sollte die persönlicher Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel, voller Länge Hosen und geschlossene Schuhe) richtig eingesetzt werden. Teile der folgenden Verfahren sind standard, Luft-freie Techniken behandeln.

1. Vorbereitung des Natrium Thiomethoxide (CH3SNa)

  1. Verbinden Sie einen 200-mL-Schlenk-Kolben mit einem Vakuum Gasarmatur. Den Kolben zu evakuieren und dann Hinterfüllung mit N2 drei Mal, so dass der Kolben mit einem leicht positiven N2 Druck gefüllt ist.
    Hinweis: Eine ähnliche Methode des Vorbereitens CH3SNa wurde kurz in der Literatur erwähnt, aber keine detaillierten Verfahren wurden27,28zur Verfügung gestellt.
  2. Nehmen Sie einen Block von metallisches Natrium aus der Kerosin-Ölbehälter. Verwenden ein Papiertuch abwischen das Restöl auf der Oberfläche, und verwenden Sie ein Messer, um die Oxidschicht auf der Oberfläche abkratzen. 6,7 g metallisches Natrium (0,29 Mol) schnell in kleine Stücke schneiden (zB., über Soja-Größe) und sofort die kleinen Stücke in den 200-mL-Schlenk-Kolben unter einem Gegenstrom von N2übertragen. Verschließen Sie das Fläschchen mit einer Scheidewand sofort.
    Hinweis: Verringerung der Exposition gegenüber Luft, man kann Ausschneiden das Natrium mit Abwechslung von dem Betrag von 6,7 g, und passen Sie die Mengen von THF und Dimethyl Disulfid entsprechend der tatsächlichen Menge an Natrium verwendet.
  3. Übertragen Sie 80 mL eine wasserfreie, airless THF in die Küvette per Kanüle unter N2 Schutz von Schlenk Linie. Zurückziehen 14,0 mL Dimethyl Disulfid (0,158 Maulwürfe; vorher gelöscht mit N2) in eine Spritze und injizieren sie in die Flasche tropfenweise unter N2 Schutz.
    Achtung: Dimethyl Disulfid ist übelriechend und sollte unter einem Abzug gehandhabt werden.
  4. Ersetzen Sie das Septum mit einem Boden Glasstopfen. Rühren Sie die Reaktionsmischung bei Raumtemperatur für 24 h und dann bei 60 ° C für 3 h.
    Hinweis: Das Reaktionsgemisch wurde unter Rühren bei Raumtemperatur zähflüssig; Wenn Sie bis zu 60 ° C erhitzt, kann die Mischung leicht und damit beschleunigen die Reaktion in Richtung der Vollendung gerührt werden.
  5. Verwenden Sie mit der Temperatur auf ca. 60 ° C gehalten einen Stream von N2 (0,2 L/min) zu Blasen aus den Großteil der THF-Lösungsmittel und die überschüssige Dimethyl-Disulfid bis festem Untergrund trocken erscheint. Verwenden Sie eine Kühlfalle (zB., Aceton/Trockeneis), THF und Dimethyl Disulfid des Abflusses zu sammeln.
  6. Evakuieren, die restlichen solide Mischung mit einem Öl Pumpe für ca. 2 h, die restliche THF und Dimethyl Disulfid und dann Verfüllung entfernen es mit N2 auf festem Untergrund hellgelb (19,8 g, 97 %) zu erhalten. Das solide Produkt CH3SNa unter Stickstoffatmosphäre im Dunkeln aufbewahren.
    Hinweis: Um die Vakuum Pumpe zu schützen, sollte eine Kühlfalle während der Pumpen verwendet werden.

2. Vorbereitung des 2,3,6,7,10,11-Hexakis (Pentanoylthio) Triphenylene (HVaTT) als einen geschützten Thiol-linker

  1. Laden 0,664 g CH3SNa (9,0 Mmol) in ein 50 mL-Schlenk-Kolben unter einem Gegenstrom von N2 (IE., verbunden mit einem Vakuum Gasarmatur unter N2 Schutz wie oben beschrieben).
    Hinweis: CH3SNa ist empfindlich gegenüber Luft und Wasser leicht absorbiert. Minimierung der Exposition gegenüber Luft, kann man schnell eine bestimmte Menge abwiegen und den Kolben hinzu, und passen Sie dann die Menge der anderen Reaktionspartner, 2,3,6,7,10,11-Hexabromotriphenylene (HBT), entsprechend.
    Achtung: Solide CH3SNa hat einen starken Geruch und sollte unter einem Abzug gehandhabt werden.
  2. Fügen Sie 0,216 g HBT (0,30 Mmol) in den Kolben unter einem Gegenstrom N2und Dichtung der Fläschchen mit einer Scheidewand.
  3. Übertragen Sie 10 mL wasserfreiem und airless 1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone (DMEU) in den Kolben per Kanüle unter N2 Schutz von Schlenk Linie.
  4. Ersetzen Sie das Septum mit einer regelmäßigen Glasstopfen und rühren das Reaktionsgemisch und verwenden ein Salzbad erhitzt bis 240 ° C für 48 h unter N2.
  5. TLC Überwachung der Fortschritte der Reaktion: unter N2, verwenden Sie eine Glas Pipette zurückziehen einer kleinen Aliquote des Reaktionsgemisches (ca. 0,1 mL) und sofort in eine ordentlich flüssige Probe von Valeroyl Chlorid (ca. 0,1 mL) in einem Kunststoff injizieren Microcentrifuge Fläschchen und dann Schütteln für 1 min; die Mischung sollte sofort trübe mit einer grau-weißen Farbe drehen. Fügen Sie 0,4 mL entionisiertem Wasser und 0,1 mL Ethylacetat hinzu, schließen Sie den Deckel und schütteln Sie sie einige Sekunden lang.
    Hinweis: Wenn die Reaktion bereits abgeschlossen, es werden nicht alles, was zwischen den Schichten des Wassers und Ethylacetat wird angezeigt. Wenn dies nicht der Fall ist, eine weiße unlösliche Substanz erscheint zwischen den beiden Schichten.
  6. Pipettieren der obere Teil aus und verwenden Sie es für das Auffinden der TLC-Platten. Verwenden Sie 1:4 Ethylacetat/Petrolether, um die TLC Platte zu entwickeln. Für eine vollständige Reaktion das Zielmolekül zeigt sich als Stammgast vor Ort rund um Rf = 0,4 unter einer UV-Lampe.
  7. Schalten Sie die Heizung und nehmen Sie den Reaktionskolben aus dem Salzbad es auf Raumtemperatur abkühlen, und verwenden Sie dann ein Eisbad die Küvette bis 0 ° c abkühlen lassen
  8. Injizieren Sie 1,5 mL Valeroyl Chlorid (12,6 Mmol) in der Flasche tropfenweise (über einen Zeitraum von ca. 2 min) mit einer Spritze unter N2. Halten Sie das Rühren bei 0 ° C für 2 h Hinweis: Hinzufügen von Valeroyl-Chlorid, langsam und bei niedriger Temperatur hilft, um die Generation der Nebenprodukte zu reduzieren.
  9. Gießen Sie die Mischung in 50 mL Eiswasser und Extrakt mit Ethylacetat (3-30 mL). Dann waschen Sie die kombinierten organische Schicht mit Wasser (6-60 mL), trocken über wasserfreiem MgSO4, und entfernen Sie die flüchtigen Bestandteile durch einen drehverdampfer.
  10. Isolieren Sie das ölige Rohprodukt durch Säulenchromatographie mit 01:10 Ethylacetat/Petrolether als Laufmittel, die eine hellgelbe ölige Produkt nach rotary Verdunstung der Lösungsmittel bietet. Verwenden Sie 1:4 Ethylacetat/Petrolether, entwickeln die TLC Platte, Rf = 0,4. Das ölige Produkt mithilfe den Verreibung Schritt unten weiter zu reinigen.
  11. 5 mL Methanolto das ölige Produkt hinzufügen und für 2 min. sammeln die resultierende wollweiße Solid beschallen mit Saug Filtration (Ertrag: 59 %).

3. Vorbereitung von Einkristallen der HTT-Pb-Gerüstmaterial

  1. Mischen Sie 11,4 mg PbOAc·3H2O (0,030 Mmol) in 1,0 mL Ethylen Diamin in einer Phiole, eine klare Lösung zu machen.
  2. Laden Sie 9,1 mg HVaTT (0,010 Mmol), 2,0 mL Pre entgast Methanol-Lösung von NaOH (70 Mmol/L) und 1,0 mL Ethylen Diamin in einen leeren 10-mL-Fläschchen und für 5 min beschallen.
  3. Die PbOAc Lösung zur beschallten HVaTT Mischung hinzugeben. Dann Blase das Reaktionsgemisch mit N2 für 1 min, und auf den Schraubverschluss, das Fläschchen zu versiegeln.
  4. Erhitzen Sie das Fläschchen bei 90 ° C in einem Ofen für 48 h, gefolgt von natürlichen Abkühlung auf Raumtemperatur, während die gelb-Orange, Oktaedrische Einkristallen geeignet für einkristalline Röntgendiffraktometrie Studien gebildet wurden (Ertrag: 45 %).
  5. Saug-Filtration aus der Kristalle und waschen schnell mit MeOH. Übertragen Sie die Kristalle mit einer Glas-Pipette in ein Fläschchen mit airless MeOH (5 mL) für die Lagerung bei Raumtemperatur.

4. Zusammenspiel von Paraquat Diiodide mit HTT-Pb-Kristallen

  1. Verwenden Sie ein Glas Pasteur pipettieren, ein paar Körner der HTT-Pb-Einkristall aus MeOH Lager abzuziehen und legen Sie es auf einer Petrischale (Durchmesser 35 mm und 10 mm). Genießen Sie die Methanol-Flüssigkeit von Gewebe oder Filterpapier (oder die MeOH natürlich trocknen lassen), und dann auf die Kristalle fallen ein paar Tropfen von einer wässrigen Lösung von Paraquat Diiodide (0,1 % w/w).
  2. Beachten Sie die Farbe Änderung der Kristalle durch Auge oder unter dem Mikroskop.

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Ergebnisse

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IR-Spektrum des HVaTT Moleküls (gesammelt von der KBr-Pellet-Methode) verfügt über die stärkste Absorption bei 1.700 cm-1, im Einklang mit der Carbonyl-Dehnung der Thioester funktionelle Gruppe. 1H-NMR-Spektrum von HVaTT (400 MHz, CDCl3) zeigt ein Singulett bei δ 8,47 aus aromatischen Wasserstoffatome, zusammen mit 4 Multiplets aus aliphatischen Protonen: δ 8,47 (s, 6 H, CHAr), 2,75-2.72 (t, J = 7,4, 12 H, CH2), 1,81-1,77 (m, 12 H, CH

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Diskussion

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Die Reaktion zwischen der Bromo-Gruppe und der Thiomethoxide-Anion produziert anscheinend zuerst die Methyl-Thioether, die dann durch die überschüssige Thiomethoxide Thiolate Anion Produkt anzubieten demethylated war. Um die vollständige Umstellung auf die gewünschte Thiolate Anion (vor allem für ein Polybromide Substrat wie HBT) gewährleisten, verlängert die energischen Bedingungen der Heizung (z.B. 240 ° C über 48 h) mit einem großen Überschuss an Natrium Thiomethoxide (z. B.über drei Mal die Maulwürf...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (21471037), Guangdong Natural Science Fonds für aufstrebenden jungen Gelehrten (15ZK0307), Wissenschaft und Technologie Planung Projekt der Provinz Guangdong (2017A050506051) unterstützt und die Research Grants Council der HKSAR [GRF 11303414].

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
BromDAMAO CHEMICAL REAGENT FACTORY7726-95-6Hochgiftiges
Triphenylen   HWRK ChemHWG45510
EisenpulverSigma-Aldrich12310
NitrobenzolDAMAO CHEMICAL REAGENT FACTORY2934
DiethyletherDAMAO CHEMICAL REAGENZ FABRIK48
DichlormethanDAMAO CHEMISCHES REAGENZ FABRIK3067
NatriummetallJ& KWM-NMS-54-25X-50GLuftempfindliches
TetrahydrofuranJ& K315353
DimethyldisulfidINTERNATIONAL LABORATORY USA
1,3-Dimethyl-2-imadazolidinonJ& K50483getrocknet über 4Å Siebe
Valeryl  chloridJ& K99590
MethanolGuangzhou Chemische Reagenzfabrik2334
NatriumhydroxidGuangzhou Chemische Reagenzfabrik1588
EthylendiaminRiedel-de Haë n15070
Bleiacetat-TrihydratPEKING CHEMICAL WORKE
726415 861218

Referenzen

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ThioestersyntheseKristallisationsprotokollNatriumthiomethoxidS ulenchromatographieEinkristall R ntgenstrukturanalysePulverr ntgenbeugungProtonen NMR AnalyseInfrarotspektroskopie

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