[Snとの合成

調製共凝縮法の全体的な目的は、従来の合成手順では得られない分子に基づいた新規試薬を入手することであり、これにより化学における新たな分野への道が開かれます。この手法の主な利点は、反応性の高い試薬が得られ、その後の反応を低温で行えることであり、これは準安定なメタロイドクラスターの合成において重要です。構造的に十分に特性解析されたメタロイドクラスター化合物から構造-物性相関を確立できるため、この手法はナノテクノロジー分野における重要な疑問を解決するのに役立ちます。

準安定なスズハライド溶液はナノスケールクラスターへのアクセスを可能にしますが、配位化学や付加化合物化学、あるいは新規材料の合成に利用することも可能です。共縮合装置の構造が非常に複雑であるため、構築手順を習得することが困難であり、本手法の視覚的な実演が極めて重要となります。まず、5つの反応室に6gの金属スズを充填します。

反応チャンバーを端子リングの上に積み重ね、それぞれ30度ずつねじって配置し、0.7 mmのグラファイトロッドで固定します。この積層体を中空のグラファイトチューブに挿入し、端子リングの穴とグラファイトチューブの穴を合わせます。2本目の0.7 mmのグラファイトロッドでセットアップを固定します。

次に、装置全体を天秤で計量し、反応中に消費されたスズの量を決定するためにその値を記録します。続いて、共縮合装置の銅誘導コイルの中にグラファイト反応容器を設置し、コードのチューブを誘導コイルの上に配置された上部銅板の中央孔に通します。ガスケットとスクリューナットを用いて、コードのチューブを塩化水素供給管に固定します。

コイル内のリアクターの位置を確認し、リアクターがコイルから5 ± 0.5 mm突出していることを確認します。冷却シールドをスクリューナットでコネクターの水ピンに接続します。反対側をネジで固定した後、水道水を30秒間流して、冷却サイクルの水密性をテストします。

次に、放射温度計の光ファイバーを銅シールドにあるホルダーにネジで固定します。溶媒蒸気ディフューザーをスクリューナットで固定し、銅シールドの空洞の下に中心が来るように配置します。グラファイトリアクターが依然として誘導コイルの中心にあること、およびコイルが上部の銅板に接触していないことを再確認してください。

バルブ付きのスチールチューブを蒸気拡散器に接続します。次に、溶媒蒸発用のシュレンク容器をバルブに取り付けます。あらかじめ準備した溶媒混合液のフラスコをシュレンク容器に接続します。

次に、蒸発用シュレンク容器に半球形の加熱マントルを取り付けます。長いスチール製カニューレをスクリューナットで装置に接続し、外側のテールを小型の丸底フラスコで閉じます。ステンレス製容器の中に10 centimeterのマグネチックスターラーバーを入れた後、平面フランジの空隙にガスケットを配置し、容器を共凝縮装置に接続します。

次に、塩化水素を含むガラス容器を小型のスチールチューブに接続し、さらに4方アダプターに接続します。4方アダプターの背面出口をブラインドフランジで密閉します。その後、前面出口に差圧マノメーターを接続し、上部出口にバルブを設置します。

次に、4点アダプターの上部出口にあるバルブに精密ニードルバルブを接続します。続いて、長い鋼管を使用してガス供給部を共凝縮装置に接続します。組み立て完了後、共凝縮装置を一晩排気し、最終圧力を10⁻⁵ mbar程度まで下げます。

翌日、オイル拡散ポンプの冷却トラップに4 Lの液体窒素を注入します。高周波発電機の冷却水サイクルをオンにし、水道の栓を開きます。発電機を起動した後、出力を0.1〜0.5 kWずつ段階的に上げ、反応温度が約1300 °Cになるまで、グラファイト反応炉をゆっくりとベーキングして脱ガスします。

ベイクアウト後、ジェネレーターの値を1.0 kilowattに調整し、リアクターを冷却します。ステンレス製デュワー瓶に30 litersの液体窒素を満たした後、リフティングプラットフォームで上昇させ、反応容器をデュワー瓶内に配置します。その後、液体窒素をさらに追加し、最終的な液位まで満たします。

半球型加熱マントルを最低レベルでオンにし、蒸発を維持します。この時点で、溶媒を滴下して蒸発させます。反応中にすべての溶媒が消費されるように、滴下速度を調整してください。

細いニードルとガスバルブを閉じ、塩化水素を含むガラス容器を開けます。差圧マノメーターの表示電圧が1600 millivoltsより高くない場合は、マノメーターの外側接続口に真空容器を接続し、マノメーターの第2接続口に低圧を印加します。表示された開始値を記録します。

次に、ジェネレーターの値を3.6 kilowattsに調整し、グラファイトリアクターを1300 °Cまで加熱します。ガスバルブを開いた後、微量ニードルバルブをゆっくりと開き、塩化水素ガスを毎分8 millivoltsの一定速度で導入します。少なくとも10分ごとに流量を確認し、測定値を記録してください。

液体窒素の液面が常にステンレス容器の上部3分の1に保たれるよう、約10分ごとに2リットルの液体窒素をデュワーに補充します。差動マノメーターの値が1600 millivolts減少したら、ガスバルブを閉じます。次に、微調整ニードルバルブをゆっくりと開いて、ガス供給部に残っている塩化水素ガスを導入し、高周波発電機を停止させます。

メインバルブを閉じてオイル拡散ポンプを切り離し、乾燥窒素で装置内を洗浄して圧力を約1気圧まで上げます。液体窒素を満たしたスチール製デュワー瓶を、マグネチックスターラーの上に置いた断熱バケツに交換します。次に、約5kgの微粉末ドライアイスをバケツに加え、マグネチックスターラーを起動します。

溶液を少なくとも45分間撹拌した後、窒素を一定に流しながらドライアイスで冷却し続けた状態で、プレスキャニュラ部分の丸底フラスコを二口バルブ付きシュレンク管に交換します。プレスキャニュラの高さを調節し、ステンレス製容器の底に接するように固定します。次に、二口バルブ付きシュレンク管のバルブを開き、わずかな過剰圧をかけて塩化スズ溶液を押し出します。

溶液の品質を決定するために、溶液 2 mL を 50 mL の希硝酸に溶解し、ハロゲン化物滴定を行います。次に、混合物に 30% 過酸化水素を 1 mL 加えます。10 分間撹拌した後、塩化カリウム電極（カロメル電極）を用いて硝酸銀の電位差滴定を行います。

次に、グラファイトチューブの重量を量り、消費されたスズの量を決定します。この量は4から4.8gの間であるはずです。鋼製またはテフロン製のカニューレを用いて、配位子源2gを含む冷却したシュレンク管に、0.2 M塩化スズ溶液20mLを加えます。マグネティックスターラーを回して反応液を撹拌し、3時間かけてゆっくりと室温まで昇温させます。

反応が完了したら、マグネチックスターラーを停止し、シュレンク管内の不溶性沈殿物をすべて沈降させます。次に、濃褐色の溶液を別のシュレンク容器にろ過します。最後に、混合物に0.2 millilitersのTMEDAを加え、一晩放置して黒色結晶を形成させます。

単離後、プロトンNMRを用いて結晶を同定します。マトリックス単離法を分取共縮合法と組み合わせて適用する原理をここに示します。共縮合装置のセットアップの概略図をここに示します。

ここでは、準安定な低原子価塩化スズの不均化反応を適用した、メタロイドクラスター化合物1の合成経路を示します。また、メタロイドスズ10クラスター結晶のプロトン、炭素、およびケイ素のNMRスペクトルをここに示します。X線結晶構造解析によって決定された化合物1の分子構造をここに表示します。

適切に実施すれば、共凝縮は習得後に2日以内に完了させることができます。スズのメタロイド10クラスターの合成には、さらに製品の結晶化に1週間を要します。この手順を試みる際は、メタロイドクラスターの合成に使用可能な適切な準安定溶液を得るために、共凝縮反応中の設定を一定に保つ必要があることに留意してください。

この手順に従い、メタロイドスズ10クラスターを用いた後続の反応を行うことで、メタロイドスズクラスターの化学反応性などのさらなる疑問を明らかにすることができます。この手法の開発により、ナノテクノロジー分野において、定義されたナノスケールのメタロイドクラスター化合物の特性を探索する研究への道が開かれました。このビデオを視聴することで、調製共縮合がどのように行われ、従来の合成手順では得られない分子に基づいた新しい試薬がどのように導き出されるかについて、十分な理解が得られるはずであり、これは化学における新しい分野への扉を開くものです。

共縮合装置および反応性の極めて高い準ハロゲン化物溶液を用いた操作は非常に危険であるため、反応を行う際は、保護メガネ、手袋、ラボ用フードなどの個人用保護具を必ず着用してください。