הסינתזה של [Sn

המטרה הכוללת של טכניקת הקו-קונדנסציה הפרפרטיבית היא להשיג ריאגנטים חדשניים המבוססים על מולקולות שאינן ניגשות באמצעות פרוצדורות סינתטיות קלאסיות, דבר הפותח פתח לתחומים חדשים בכימיה. היתרון המרכזי של שיטה זו הוא קבלת ריאגנטים בעלי רעילות גבוהה, כך שניתן לבצע תגובות עוקבות בטמפרטורה נמוכה, דבר החיוני לסנתזה של צברים מטאלואידיים מטא-יציבים. שיטה זו עשויה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום הננוטכנולוגיה, שכן ניתן יהיה לבסס קשרי מבנה-תכונה מתוך תרכובות של צברים מטאלואידיים בעלות אפיון מבני מדויק.

למרות שתמיסת בדיל-הליד המטא-יציבה מאפשרת גישה למקבצים (clusters) בננו-קנה מידה, ניתן להשתמש בה גם עבור כימיה של קומפלקסים או אדוקטים, או עבור סינתזה של חומרים חדשניים. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית, כיוון ששלבי הבנייה קשים ללמידה עקב המורכבות הגבוהה של מכשיר הקו-קונדנסציה. ראשית, מלאו חמישה תאי תגובה ב-6 g של בדיל אלמנטרי.

ערמו את תאי התגובה מעל טבעת קצה, כאשר כל אחד מהם מסובב ב-30 מעלות, וקבעו את הערימה באמצעות מוט גרפיט של 0.7 millimeter. הכניסו את הערימה לתוך צינור גרפיט חלול, כך שהחורים בטבעת הקצה יתאימו לחורים בצינור הגרפיט. קבעו את המערך באמצעות מוט גרפיט שני של 0.7 millimeter.

לאחר מכן, שקלו את המערך כולו באמצעות מאזניים ורשמו את הערך כדי לקבוע את כמות הבדיל שנצרכה במהלך התגובה. לאחר מכן, הניחו את כור הגרפיט בתוך סליל השראת הנחושת של מכשיר קו-קונדנסציה, והעבירו את צינור החוט דרך החור המרכזי של לוח הנחושת העליון, הממוקם מעל סליל ההשראה. קבעו את צינור החוט לצינור אספקת מימן כלורי באמצעות אטם ואום.

בדקו את מיקום הריאקטור בתוך הסליל, כדי לוודא שהריאקטור בולט מהסליל ב-5 מילימטרים, פלוס או מינוס 0.5. חברו את מגן הקירור לפיני המים של המחבר באמצעות אומים.

לאחר מכן, חברו את סיבי האופטיקה של הפירומטר למחזיק במגן הנחושת באמצעות בורג. חברו את מדף אדי הממס באמצעות אום, וודאו שהוא ממורכז תחת החלל של מגן הנחושת. בדקו שוב כי ריאקטור הגרפיט עדיין נמצא במרכז סליל ההשראה וכי אין מגע בין הסליל ללוח הנחושת העליון.

חבר צינור פלדה עם שסתום למפיץ האדים. כעת, התקן את כלי השלנק (Schlenk vessel) לאידוי הממס על השסתום. חבר את הבקרא של תערובת הממס שהוכנה מראש לכלי השלנק.

לאחר מכן, הוסיפו מעטפת חימום חצי-ספראית לכלי השלנק (Schlenk) המשמש לאידוי. חברו קנולה ארוכה מפלט למכשיר באמצעות אום, וסגרו את הקצה החיצוני באמצעות בקבוק עגול קטן. לאחר הנחת מגנט ערבוב באורך 10 סנטימטר בתוך כלי מפלדה אל-חלודה, הכניסו אטם לחלל של האוגן השטוח, וחברו את הכלי למערכת הקו-קונדנצציה (co-condensation).

בשלב הבא, חברו את כלי הזכוכית המכיל מימן כלורי לצינור פלדה קטן, ולאחר מכן למתאם בעל ארבע נקודות. סגרו את יציאת האחור של המתאם בעל ארבע הנקודות באמצעות אוגן עיוור (blind flange). לאחר מכן, חברו מנומטר של לחץ דיפרנציאלי ליציאה הקדמית, והתקינו שסתום ביציאה העליונה.

כעת, חברו שסתום מחט עדין לשסתום הממוקם ביציאה העליונה של המתאם בעל ארבעת הנקודים. לאחר מכן, השתמשו בצינור פלדה ארוך כדי לחבר את חלק אספקת הגז למערכת הקו-קונדנסציה. לאחר ההרכבה המלאה, בצעו ואקום למערכת הקו-קונדנסציה למשך לילה עד ללחץ סופי של כ-10⁻⁵ millibar.

ביום למחרת, מלאו את מלכודת הקירור של משאבת דיפוזיית שמן בארבעה ליטרים של חנקן נוזלי. הפעילו את מחזור מי הקירור של מחולל בתדר גבוה, ופתחו את ברז מי השבב. לאחר הפעלת המחולל, בצעו חימום לניקוי (bake out) של כור הגרפיט באיטיות על ידי העלאת הספק המוצא בצעדים הדרגתיים של 0.1 עד 0.5 kilowatts עד שטמפרטורת התגובה תגיע לסביבות 1300 degrees Celsius.

לאחר השריפה (bake-out), כוון את ערך הגנרטור ל-1.0 kilowatt כדי לקרר את הריאקטור. לאחר מילוי דאוור (dewar) מפלדה ב-30 liters של חנקן נוזלי, הרם אותו באמצעות פלטפורמת הרמה כך שכלי התגובה ימוקם בתוך הדאוור. לאחר מכן, הוסף חנקן נוזלי נוסף לדאוור כדי להגיע למפלס הסופי של החנקן הנוזלי.

הפעילו את מעטפת החימום ההמיספרית בדרגה הנמוכה ביותר כדי לשמר את האידוי. בנקודה זו, אדו את הממס בטיפות. קבעו את קצב הטיפות כך שכל הממס ינוצל במהלך התגובה.

סגרו את המחט העדינה ואת שסתום הגז, ולאחר מכן פתחו את כלי הזכוכית המכיל מימן כלורי. אם המתח המוצג במנומטר הלחץ הדיפרנציאלי אינו גבוה מ-1600 millivolts, הפילו לחץ נמוך בחיבור השני של המנומטר על ידי חיבור כלי מרוקן לחיבור החיצוני של המנומטר. רשמו את ערך ההתחלה המוצג.

בשלב הבא, חממו את ריאקטור הגרפיט ל-1300 °C על ידי כיוון ערך הגנרטור ל-3.6 kilowatts. לאחר פתיחת שסתום הגז, פתחו באיטיות את שסתום המחט העדין כדי להזרים גז מימן כלורי בקצב קבוע של שמונה millivolts לדקה. בדקו את הקצב לפחות בכל 10 דקות, ורשמו את הערכים שנמדדו.

הוסיפו שני ליטרים של חנקן נוזלי לדואר, בערך כל 10 דקות, כך שמפלס החנקן הנוזלי יישאר תמיד בשליש העליון של כלי הנירוסטה. לאחר שערך המנומטר הדיפרנציאלי יירד ב-1600 millivolts, סגרו את שסתום הגז. לאחר מכן, הכניסו את שארית גז מימן הכלורי שנמצאה בחלק של אספקת הגז על ידי פתיחה איטית של שסתום המחט העדין, וכבו את מחולל התדר הגבוה.

נתק את משאבת הדיפוזיה שמאית על ידי סגירת השסתום הראשי, ושטוף את המערכת בחנקן יבש עד ללחץ של כ-אטמוספירה אחת. החלף את דאוואר הפלדה הממולא בחנקן נוזלי בדלי מבודד המוצב על בוחש מגנטי. לאחר מכן, הוסף לדלי כ-חמישה קילוגרמים של קרח יבש באבקה דקה, והפעל את הבוחש המגנטי.

לאחר השארת התמיסה בערבוב למשך 45 דקות לפחות, החליפו את הבקבוק עגול התחתית המחובר לקנולה בלביב שלנק (Schlenk tube) בעל שסתום כפול, תוך המשך קירור באמצעות קרח יבש תחת זרימה קבועה של חנקן. קבעו את גובה הקנולה כך שתגע בתחתית כלי הפלדה שאינו מחליד. כעת, דחפו החוצה את תמיסת כלוריד הבדיל באמצעות לחץ יתר קל על ידי פתיחת השסתומים בלביב שלנק בעל השסתום הכפול.

כדי לקבוע את איכות התמיסה, בצעו טיטרציית הלידים על ידי המסת 2 מיליליטר של התמיסה ב-50 מיליליטר של חומצה חנקית מדוללת. לאחר מכן, הוסיפו לתערובת 1 מיליליטר של מי חמצן בריכוז 30%. לאחר ערבוב במשך 10 דקות, בצעו טיטרציה פוטנציומטרית של כסף חנקתי מול אלקטרודת קלומל.

לאחר מכן, שקלו את צינור הגרפיט כדי לקבוע את כמות הבדיל שנצרכה, אשר צריכה להיות בין 4 ל-4.8 גרמים. באמצעות קנולה מפלדה או טפלון, הוסיפו 20 מיליליטר של תמיסת בדיל כלורי בריכוז 0.2 מולארי לכלי שלנק מקורר, המכיל שני גרמים של מקור הליגנד. הפעילו את השקשוק המגנטי, אפשרו לתגובה להערבב, וחממו באיטיות עד לטמפרטורת החדר בתוך שלוש שעות.

עם השלמת התגובה, יש לעצור את המערבל המגנטי ולהמתין עד שכל המשקב הבל מסיס בתוך נבובת השלנק (Schlenk tube) ישקע. לאחר מכן, יש לסנן את התמיסה החומה הכהה לכלי שלנק אחר. לבסוף, יש להוסיף 0.2 milliliters של TMEDA לתערובת, ולהניח לה לעמוד למשך לילה להיווצרות גבישים שחורים.

לאחר הבידוד, זהו את הגבישים באמצעות NMR של פרוטונים. העיקרון של טכניקת הבידוד במטריצה, בשילוב עם טכניקת קו-קונדנסציה (co-condensation) פרפרטיבית, מוצג כאן. סכמה של מערך מכשיר הקו-קונדנסציה מוצגת כאן.

כאן מוצג נתיב הסינתזה של תרכובת צבר המטאלואיד אחת, תוך יישום תגובת דיספרופורצנציה של כלוריד הבדיל תת-ערכית המטא-יציב. כאן מוצגים ספקטרומי NMR של פרוטון, פחמן וסיליקון של גבישי צבר הבדיל המטאלואידי בעל 10 אטומים. המבנה המולקולרי של תרכובת אחת, כפי שנקבע באמצעות ניתוח קריסטלוגרפיה של קרני X, מוצג כאן.

לאחר רכישת המיומנות, ניתן לבצע את הקו-קונדנסציה (co-condensation) בתוך יומיים, אם היא מבוצעת כראוי. סינתזה של מקבץ 10 של בדיל מטלואידי דורשת שבוע נוסף לצורך גביש של המוצר. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לזכור כי ההגדרות במהלך תגובת הקו-קונדנסציה חייבות להישאר קבועות כדי להשיג תמיסה מטא-יציבה מתאימה שניתן להשתמש בה לסינתזה של מקבצי מטלואידים.

בעקבות הליך זה, ניתן לבצע תגובות המשך עם אשכול של 10 אטומי בדיל (metalloid tin 10-cluster) כדי לענות על שאלות נוספות, כגון התגובתיות הכימית של אשכולות בדיל מטלואידיים. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך למחקרים בתחום הננו-טכנולוגיה לבחינת תכונות של תרכובות אשכול מטלואידיות מוגדרות בקנה מידה ננומטרי. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה של האופן שבו מבוצעת קו-קונדנסציה (co-condensation) להכנה, המובילה ליצירת ריאגנטים חדשניים המבוססים על מולקולות שאינן ניתנות להשגה באמצעות הליכים סינתטיים קלאסיים, דבר הפותח פתח לתחומי מחקר חדשים בכימיה.

יש לזכור כי עבודה עם מכשיר קו-קונדנסציה (co-condensation) ועם תמיסת סאב-האליד מטא-יציבה בעלת תגובתיות גבוהה עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש להשתמש בציוד מיגון אישי כגון משקפי מגן, כפפות ומכסה עשן של מעבדה בעת ביצוע התגובות.