Die Synthese von [Sn ₁₀ (Si (SiMe ₃) ₃) ₄] ² - Eine metastabile Sn (I) halogenidlösung Verwendung über eine Co-Kondensationstechnik Synthetisierter

Das übergeordnete Ziel der präparativen Co-Kondensationstechnik ist es, Zugang zu neuartigen Reagenzien auf der Basis von Molekülen zu erhalten, die mit klassischen Syntheseverfahren nicht erreichbar sind, was die Tür zu neuen Feldern in der Chemie öffnet. Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass hochreaktive Reagenzien erhalten werden und nachfolgende Reaktionen bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden können, was für die Synthese metastabiler Metalloidcluster wichtig ist. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen im Bereich der Nanotechnologie zu beantworten, da Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aus strukturell gut charakterisierten metalloiden Clusterverbindungen hergestellt werden können.

Obwohl die metastabile Zinnhalogenidlösung den Zugang zu nanoskaligen Clustern ermöglicht, könnte sie auch für die Koordination oder Adduktchemie oder für die Synthese neuartiger Materialien verwendet werden. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Bauschritte aufgrund der hohen Komplexität der Co-Kondensationsapparatur schwer zu erlernen sind. Füllen Sie zunächst fünf Reaktionskammern mit sechs Gramm Elementarzinn.

Stapeln Sie die Reaktionskammern auf einen um jeweils 30 Grad gedrehten Endring und fixieren Sie den Stapel mit einem 0,7 Millimeter Graphitstab. Setzen Sie den Stapel in ein hohles Graphitrohr ein, so dass die Löcher des Anschlussrings mit den Löchern im Graphitrohr zusammenpassen. Fixieren Sie das Setup mit einem zweiten 0,7 Millimeter Graphitstab.

Wiegen Sie dann den gesamten Aufbau mit einer Waage und notieren Sie sich den Wert, um die Menge an Zinn zu bestimmen, die während der Reaktion verbraucht wird. Platzieren Sie als Nächstes den Graphitreaktor in der Kupferinduktionsspule eines Co-Kondensationsgeräts und führen Sie das Rohr des Kabels durch das mittlere Loch des oberen Kupferblechs, das sich über der Induktionsspule befindet. Befestigen Sie den Schlauch des Kabels mit einer Dichtung und einer Schraubenmutter an einem Chlorwasserstoff-Versorgungsrohr.

Überprüfen Sie die Position des Reaktors in der Spule, um sicherzustellen, dass der Reaktor um fünf oder minus 0,5 Millimeter aus der Spule herausragt. Verbinden Sie den Kühlschirm mit Schraubenmuttern mit den Wasserstiften des Steckers. Nachdem Sie den Kühlschild auf der anderen Seite mit einer Schraube befestigt haben, testen Sie die Wasserdichtigkeit des Kühlzyklus, indem Sie das Leitungswasser 30 Sekunden lang öffnen.

Befestigen Sie anschließend die Lichtleiter eines Pyrometers mit einer Schraube an der Halterung an der Kupferabschirmung. Befestigen Sie den Lösungsmitteldampfdiffusor mit einer Schraubenmutter und stellen Sie sicher, dass er unter dem Hohlraum der Kupferabschirmung zentriert ist. Überprüfen Sie erneut, ob sich der Graphitreaktor noch in der Mitte der Induktionsspule befindet und dass kein Kontakt der Spule mit dem oberen Kupferblech besteht.

Verbinden Sie ein Stahlrohr mit einem Ventil mit dem Dampfdiffusor. Montieren Sie nun den Schlenk-Behälter für die Lösemittelverdampfung auf das Ventil. Setzen Sie einen zuvor vorbereiteten Lösemittelmischkolben in das Schlenk-Gefäß

Setzen Sie dann einen halbkugelförmigen Heizmantel in das verdampfende Schlenk-Gefäß ein. Verbinden Sie eine lange Stahlkanüle mit einer Schraubenmutter mit dem Gerät und verschließen Sie den äußeren Schwanz mit einem kleinen Kolben mit rundem Boden. Nachdem Sie einen 10 Zentimeter großen magnetischen Rührstab in ein Edelstahlgefäß eingesetzt haben, setzen Sie eine Dichtung in den Hohlraum des Flugzeugflansches ein und verbinden Sie das Gefäß mit dem Co-Kondensationsgerät.

Verbinden Sie als Nächstes das chlorwasserstoffhaltige Glasgefäß mit einem kleinen Stahlrohr und dann mit einem Vierpunktadapter. Den hinteren Ausgang des Vierpunktadapters mit einem Blindflansch verschließen. Schließen Sie dann ein Differenzdruckmanometer an den vorderen Ausgang an und richten Sie ein Ventil am oberen Ausgang ein.

Verbinden Sie nun ein Feinnadelventil mit dem Ventil am oberen Ausgang des Vierpunktadapters. Verwenden Sie dann ein langes Stahlrohr, um den Gasversorgungsteil mit dem Co-Kondensationsgerät zu verbinden. Nach vollständiger Montage wird die Co-Kondensationsapparatur über Nacht auf einen Enddruck von etwa 10 bis minus fünf Millibar evakuiert.

Füllen Sie am nächsten Tag die Kühlfalle einer Öldiffusionspumpe mit vier Litern flüssigem Stickstoff. Schalten Sie den Kühlwasserkreislauf eines Hochfrequenzgenerators ein und öffnen Sie das Leitungswasser. Nach dem Einschalten des Generators heizen Sie den Graphitreaktor langsam aus, indem Sie die Ausgangsleistung in schrittweisen Schritten von 0,1 bis 0,5 Kilowatt erhöhen, bis die Reaktionstemperatur bei etwa 1300 Grad Celsius liegt.

Stellen Sie nach dem Ausheizen den Wert des Generators auf 1,0 Kilowatt ein, um den Reaktor abzukühlen. Nachdem Sie einen Stahl-Dewar mit 30 Litern flüssigem Stickstoff befüllt haben, heben Sie ihn mit einer Hebebühne an, so dass das Reaktionsgefäß innerhalb des Dewars platziert wird. Geben Sie dann mehr flüssigen Stickstoff in den Dewar, um den endgültigen Gehalt an flüssigem Stickstoff zu erreichen.

Schalten Sie die halbkugelförmige Heizhaube auf der untersten Ebene ein, um die Verdunstung aufrechtzuerhalten. Verdampfen Sie das Lösungsmittel an dieser Stelle tropfenweise. Stellen Sie die Tropfrate so ein, dass während der Reaktion das gesamte Lösungsmittel verwendet wird.

Schließen Sie die feine Nadel und das Gasventil und öffnen Sie dann das chloridhaltige Glasgefäß. Wenn die angezeigte Spannung am Differenzdruckmanometer nicht höher als 1600 Millivolt ist, legen Sie am zweiten Anschluss des Manometers einen Niederdruck an, indem Sie ein evakuiertes Gefäß an den äußeren Anschluss des Manometers anschließen. Notieren Sie den angezeigten Startwert.

Heizen Sie anschließend den Graphitreaktor auf 1300 Grad Celsius auf, indem Sie den Wert des Generators auf 3,6 Kilowatt einstellen. Öffnen Sie nach dem Öffnen des Gasventils langsam das Feinnadelventil, um das Chlorwasserstoffgas mit einer konstanten Rate von acht Millivolt pro Minute einzulassen. Überprüfen Sie die Frequenz mindestens alle 10 Minuten und notieren Sie die Messwerte.

Geben Sie etwa alle 10 Minuten zwei Liter flüssigen Stickstoff in den Dewar, so dass der Gehalt an flüssigem Stickstoff immer im oberen Drittel des Edelstahlbehälters liegt. Nachdem der Wert des Differenzmanometers um 1600 Millivolt verringert wurde, schließen Sie das Gasventil. Führen Sie dann das restliche Chlorwasserstoffgas ein, das sich im Gasversorgungsteil befindet, indem Sie langsam das Feinnadelventil öffnen und den Hochfrequenzgenerator abschalten.

Trennen Sie die Öldiffusionspumpe, indem Sie das Hauptventil schließen, und spülen Sie das Gerät mit trockenem Stickstoff auf einen Druck von etwa einer Atmosphäre. Ersetzen Sie den mit flüssigem Stickstoff gefüllten Stahl-Dewar durch einen isolierten Eimer, der auf einem Magnetrührer steht. Geben Sie dann etwa fünf Kilogramm feines Trockeneis in Pulverform in den Eimer und schalten Sie den Magnetrührer ein.

Nachdem Sie die Lösung mindestens 45 Minuten lang gerührt haben, ersetzen Sie den Rundbodenblitz an der Presskanüle durch einen Doppelventil-Schlenk-Schlauch, während Sie immer noch mit Trockeneis unter konstantem Stickstofffluss abkühlen. Fixieren Sie die Höhe der Presskanüle so, dass sie den Boden des Edelstahlgefäßes berührt. Drücken Sie nun die Zinnchloridlösung mit leichtem Überdruck heraus, indem Sie die Ventile am Doppelventil-Schlenk-Rohr öffnen.

Um die Qualität der Lösung zu bestimmen, führen Sie eine Halogenid-Titration durch, indem Sie zwei Milliliter der Lösung in 50 Millilitern verdünnter Salpetersäure auflösen. Fügen Sie dann der Mischung einen Milliliter 30 Prozent Wasserstoffperoxid hinzu. Nach 10-minütigem Rühren eine potentiometrische Titration von Silbernitrat gegen die Kalomelelektrode durchführen.

Wiegen Sie anschließend das Graphitrohr, um die Menge des verbrauchten Zinns zu bestimmen, die zwischen 4 und 4,8 Gramm liegen sollte. Geben Sie mit einer Stahl- oder Teflonkanüle 20 Milliliter der 0,2 molaren Zinnchloridlösung in ein abgekühltes Schlenk-Gefäß, das zwei Gramm der Ligonquelle enthält. Schalten Sie den Magnetrührer ein, lassen Sie die Reaktion rühren und erwärmen Sie ihn innerhalb von drei Stunden langsam auf Raumtemperatur.

Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, stoppen Sie den Magnetrührer und lassen Sie den unlöslichen Niederschlag im Schlenk-Rohr absetzen. Anschließend die dunkelbraune Lösung in ein weiteres Schlenk-Gefäß filtrieren. Zum Schluss fügen Sie der Mischung 0,2 Milliliter TMEDA hinzu und lassen sie über Nacht stehen, um schwarze Kristalle zu bilden.

Nach der Isolierung identifizieren Sie die Kristalle mittels Protonen-NMR. Das Prinzip der Matrixisolationstechnik in Konjugation mit der präparativen Cokondensationstechnik wird hier gezeigt. Hier ist ein Schema des Aufbaus der Co-Kondensationsapparatur dargestellt.

Hier ist die synthetische Wurzel zur metalloiden Clusterverbindung eins dargestellt, wobei die Disproportionierungsreaktion des metastabilen subvalenten Zinnchlorids angewendet wird. Hier sind die Protonen-, Kohlenstoff- und Silizium-NMR-Spektren der metalloiden Zinn-10-Cluster-Kristalle dargestellt. Hier ist die molekulare Struktur der Verbindung eins, wie sie durch röntgenkristallographische Analyse bestimmt wurde, dargestellt.

Einmal gemeistert, kann die Co-Kondensation innerhalb von zwei Tagen durchgeführt werden, wenn sie richtig durchgeführt wird. Die Synthese des Metalloid-Zinn-10-Clusters benötigt eine weitere Woche für die Kristallisation des Produkts. Bei diesem Verfahren ist zu beachten, dass die Einstellungen während der Co-Kondensationsreaktion konstant sein müssen, um eine geeignete metastabile Lösung zu erhalten, die für die Synthese von Metalloidclustern verwendet werden kann.

Im Anschluss an dieses Verfahren können nachfolgende Reaktionen mit dem Metalloid-Zinn-10-Cluster durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen wie die chemische Reaktivität von Metalloid-Zinn-Clustern zu beantworten. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forschungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie, um die Eigenschaften definierter nanoskaliger metalloider Clusterverbindungen zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die präparative Co-Kondensation durchgeführt wird, die zu neuartigen Reagenzien führt, die auf Molekülen basieren, die mit klassischen synthetischen Verfahren nicht erreichbar sind, was die Tür zu neuen Bereichen in der Chemie öffnet.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit einem Co-Kondensationsgerät und der hochreaktiven metastabilen Subhalogenidlösung äußerst gefährlich sein kann und dass während der Durchführung der Reaktionen persönliche Schutzausrüstung wie Schutzbrille, Handschuhe und Laborhaube getragen werden sollte.