Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

1,3,5-trifenylobenzen i koranulen jako receptory elektronowe dla roztworów elektronów solwatowanych litu

7.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54366

⸱

10 października 2016

 ,  ,  ,  , 

W tym artykule

Podsumowanie

Autorzy informują o badaniach konduktometrycznych przeprowadzonych na roztworach elektronów solwatowanych litu (LiSES) przygotowanych przy użyciu 1,3,5-trifenylobenzenu (TPB) i koranulenu jako receptorów elektronowych.

Streszczenie

Autorzy informują o badaniach konduktometrycznych przeprowadzonych na roztworach elektronów solwatowanych litu (LiSES) przygotowanych przy użyciu dwóch rodzajów węglowodorów poliaromatycznych (WWA), a mianowicie 1,3,5-trifenylobenzenu i koranulenu, jako receptorów elektronowych. Stałe WWA zostały najpierw rozpuszczone w tetrahydrofuranie (THF) w celu utworzenia roztworu. Metaliczny lit został następnie rozpuszczony w tych roztworach WWA / THF, aby uzyskać niebieskie lub zielonkawo-niebieskie roztwory, kolory wskazujące na obecność solwatowanych elektronów. Pomiary przewodności w temperaturze otoczenia przeprowadzone na LiSES na bazie 1,3,5-trifenylobenzenu, oznaczone jako LixTPB(THF)24,7 (x = 1, 2, 3, 4), wykazały wzrost przewodności wraz ze wzrostem stosunku Li:PAH z x = 1 do 2. Jednak przewodność stopniowo zmniejszała się wraz z dalszym zwiększaniem stosunku. Rzeczywiście, przewodność LixTPB(THF)24,7 dla x = 4 jest jeszcze niższa niż dla x = 1. Takie zachowanie jest podobne do wcześniej opisywanego LiSES przygotowanego z bifenylu i naftalenu. Pomiary przewodności w funkcji temperatury na LiSES na bazie koranulenu, oznaczone jako LixCor(THF)247 (x = 1, 2, 3, 4, 5), wykazały liniowe zależności z ujemnymi nachyleniami, wskazując na metaliczne zachowanie podobne do LiSES na bazie bifenylu i naftalenu.

Wprowadzenie

Rozwiązania elektronów solwatowanych w litu (LiSES), przygotowane przy użyciu prostych dwupierścieniowych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH), takich jak bifenyl i naftalen, mogą potencjalnie służyć jako ciekłe anody w doładowywalnych ogniwach litowych1-7. W LiSES te proste cząsteczki PAH pełnią rolę receptorów elektronów dla elektronów solwatowanych pochodzących z rozpuszczonego litu metalicznego.

Rozwijając badania nad tymi układami dwupierścieniowymi, autorzy przeprowadzili od tego czasu pomiary przewodnictwa LiSES przygotowanych z zastosowaniem bardziej złożonych WWA, zaczynając od grupy pochodnych cyklopenta-2,4-dienonu8. WWA te obejmują większe cząsteczki WWA (> dwa pierścienie benzenowe) oraz WWA z podstawnikami wprowadzonymi do pierścieni aromatycznych. Przewiduje się, że większa cząsteczka WWA z więcej niż dwoma pierścieniami pomieści więcej atomów litu na jedną cząsteczkę WWA niż bifenyl lub naftalen, co skutkuje LiSES o wyższej gęstości energii. Celem wprowadzenia podstawników do WWA jest sprawienie, aby WWA chętniej przyjmowały elektrony i stawały się bardziej stabilne jako polianiony w LiSES.

W ramach prowadzonych wysiłków mających na celu opracowanie LiSES o wyższej gęstości energii, w niniejszej pracy przedstawiono charakterystykę LiSES przygotowanych z korannulenu otrzymanego zgodnie z procedurą literaturową9 oraz z 1,3,5-trifenylobenzenu, TPB, zsyntetyzowanego według nieco zmodyfikowanej metody literaturowej 10. 1,3,5-trifenylobenzen, przedstawiony na Rysunku 1(1), można zaklasyfikować jako pochodną bifenylu z dwoma dodatkowymi pierścieniami fenylowymi w pozycjach 3 i 5 tego samego pierścienia. Ponieważ cząsteczka ta posiada cztery pierścienie benzenowe, powinna przyjąć 4 atomy Li na cząsteczkę, co stanowi wartość wyższą niż w przypadku bifenylu (maksymalnie 2,5 równoważnika molowego Li na PAH w roztworze 0,5 M) oraz naftalenu (<2,5 równoważnika molowego litu na cząsteczkę).

Korannulen jest pięciopierścieniowym WWA o kształcie misy, jak pokazano na Rysunku 1(2). Zabula et al.1 wykazali możliwość rozpuszczenia metalicznego litu w roztworze korannulenu/tetrahydrofuranu (THF) w celu otrzymania roztworu z pięcioma jonami Li+ znajdującymi się pomiędzy dwoma stabilnymi tetraanionami korannulenu.

Schemat struktury chemicznej 1,3,5-trifenylobenzenu i korannulenu.
Rysunek 1: Struktury cząsteczkowe 1,3,5-trifenylobenzenu (1) i korannulenu (2). 1,3,5-trifenylobenzen klasyfikowany jest jako pochodna bifenylu z dwoma dodatkowymi pierścieniami fenylowymi w pozycjach 3 i 5 tego samego pierścienia. Korannulen jest pięciopierścieniowym WWA, w którym pięć pierścieni benzenowych układa się w kształt misy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej figury.

Zatem zarówno 1,3,5-trifenylobenzen, jak i korannulen są potencjalnymi kandydatami na materiały do LiSES o wysokiej gęstości energii.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Procedura przygotowania dla 1,3,5-trifenylobenzenu (1)

  1. Umieścić mieszaninę acetofenonu (4,0 g, 33,3 mmol) i 100 ml absolutnego alkoholu etylowego w kolbie o pojemności 250 ml z okrągłym dnem i trzema szyjkami, wyposażonej w mieszadło magnetyczne, chłodnicę zwrotną, wlot azotu, bełkotkę, lejek do zakraplacza i termometr. Dodać czterochlorek krzemu (11,9 g, 8,0 ml, 70,2 mmol, 2,1 eq) do mieszaniny w jednej porcji w temperaturze 0 °C w azocie za pomocą wkraplacza.
  2. Obserwuj wydzielanie się gazowego chlorowodoru przez 10 minut. Następnie mieszać mieszaninę reakcyjną w temperaturze 40 °C przez 20 godzin.
  3. Schłodzić mieszaninę reakcyjną do temperatury 23 °C i zalać 200 g wody zmieszanej z lodem (stosunek masowy 1:1).
  4. Otrzymaną mieszaninę ekstrahować dichlorometanem (2 x 100 ml) za pomocą lejka ekstrakcyjnego.
  5. Połączone ekstrakty przemyć raz nasyconym roztworem NaCl (100 ml) i wysuszyć ponad 15 g bezwodnegoMgSO4. Odfiltruj płynną część, a następnie zagęść za pomocą wyparki obrotowej.
  6. Oczyścić produkt przez rekrystalizację z etanolu (rozpuszczenie w minimalnej ilości etanolu, a następnie częściowe odparowanie rozpuszczalnika, utrzymywanie w temperaturze 6 °C przez noc i szybka filtracja) w celu uzyskania 2,2 g (wydajność 63%) 1,3,5-trifenylobenzenu (1) w postaci bladożółtych kryształów.
    Uwaga: 1H-NMR (400 MHz, CDCl3): δ= 7,41 (m, 3H), 7,50 (m, 6H), 7,72 (d, 6H, J = 7,33Hz), 7,80 (s, 3H). 13C-NMR (400 MHz, CDCl3): δ= 125,21, 127,39, 127,57, 128,88, 141,18, 142,38.

2. LiSES Przygotowany z 1,3,5-trifenylobenzenu

  1. Otrzymywanie LiSES
    na bazie 1,3,5-trifenylobenzenu UWAGA: 1,3,5-trifenylobenzen użyty w tej pracy został zsyntetyzowany zgodnie z procedurą opisaną powyżej. LiSES na bazie 1,3,5-trifenylobenzenu są oznaczone przez LixTPB(THF)24.7, gdzie x oznacza stosunek molowy Li:PAH, a TPB oznacza 1,3,5-trifenylobenzen. Przygotuj LixTPB(THF)24.7 w komorze rękawicowej wypełnionej argonem w temperaturze otoczenia, wykonując następujące czynności:
    1. Odmierz dobrze zdefiniowane ilości metalicznych Li, THF i TPB oddzielnie wewnątrz komory rękawicowej, aby uzyskać docelowy skład molowy LixTPB(THF)24.7 dla x = 1, 2, 3 i 4. Użyj 41,6 mg, 83,3 mg, 124,9 mg, 166,6 mg Li odpowiednio dla x = 1, 2, 3 i 4.
    2. Dla każdej z czterech próbek LiSES, które mają być przygotowane, rozpuścić 1,84 g TPB w 12 ml THF w czterech oddzielnych szklanych butelkach, aby uzyskać 12 ml bezbarwnych roztworów TPB(THF)24,7 na każdą butelkę. We wszystkich roztworach należy użyć 0,5 M 1,3,5-trifenylobenzenu.
    3. Dodaj zważone metaliczne folie Li do czterech butelek i zamknij butelki Parafilmem.
    4. Mieszaj mieszaninę w każdej butelce przez noc za pomocą mieszadła magnetycznego pokrytego szkłem, aby zapewnić całkowite rozpuszczenie metalicznego Li.
  2. Pomiary przewodności
    1. Wszystkie pomiary przewodności należy wykonywać za pomocą standardowej sondy konduktometrycznej opartej na technice czteroelektrodowej. Podłącz sondę ogniwa do miernika. Sonda pełni drugorzędną funkcję pomiaru temperatury roztworu w tym samym czasie i wyświetlania zarówno pomiarów przewodności, jak i temperatury.
    2. Przed pomiarami należy skalibrować glukometr przy użyciu 50 ml wzorcowego 0,01 M wodnego roztworu KCl dostarczonego przez producenta sondy przewodności poza komorą rękawicową.
    3. Przeprowadzić wszystkie pomiary przewodności dla LiSES na bazie 1,3,5-trifenylobenzenu, LixTPB(THF)24,7 dla x = 1, 2, 3, 4 wewnątrz komory podręcznej.
    4. Dla każdego z tych LiSES przelej próbkę do krótkiego szklanego cylindra i zanurz sondę w roztworze. Rejestruj pomiar przewodności przez okres od jednej do dwóch godzin, aż każda próbka powróci do temperatury otoczenia. Czas potrzebny na powrót każdej próbki do temperatury otoczenia wynosi ~1-2 godziny. Sonda pozostanie zanurzona w próbce przez cały czas trwania pomiaru przewodności.

3. Koranulen

  1. Przygotowanie LiSES
    na bazie koranulenu UWAGA: Koranulen użyty w tym artykule został zsyntetyzowany w Szkole Nauk Fizycznych i Matematycznych, NTU przy użyciu wieloetapowej procedury literatury. 9 LiSES na bazie koranulenu są oznaczone przez LixCor(THF)247, gdzie x oznacza stosunek molowy Li:PAH, a Cor oznacza korannulen. Przygotuj LixCor(THF)247 w komorze rękawicowej wypełnionej argonem w temperaturze otoczenia, wykonując następujące czynności:
    1. Odmierzyć dobrze zdefiniowane ilości metalicznych Li, THF i Cor oddzielnie w komorze rękawicowej, aby uzyskać docelowy skład molowy LixCor(THF)247 dla x = 1, 2, 3, 4 i 5. Stosować 4,2 mg, 8,3 mg, 12,5 mg, 16,6 mg i 20,8 mg Li odpowiednio dla x = 1, 2, 3, 4 i 5.
    2. Następnie, dla każdej z pięciu próbek LiSES (x = 1, 2, 3, 4 i 5), które mają być przygotowane, rozpuścić 0,15 g Cor w 12 ml THF w pięciu oddzielnych szklanych butelkach, aby uzyskać 12 ml bezbarwnego roztworu Cor(THF)247 w każdej butelce. Użyj stężenia koranulenu 0,05 M).
    3. Następnie dodaj zważone metaliczne folie Li do pięciu butelek Cor(THF)247 i zamknij butelki Parafilmem.
    4. Mieszaj mieszaninę w każdej butelce przez noc za pomocą mieszadła magnetycznego pokrytego szkłem, aby zapewnić całkowite rozpuszczenie metalicznego litu.
  2. Pomiary przewodności
    1. W celu pomiaru przewodności w funkcji temperatury, wyjmij każdą z pięciu butelek zawierających LixCor(THF)247 dla x = 1, 2, 3, 4 i 5 pojedynczo ze schowka podręcznego, owiń ją dodatkową warstwą parafolii i zanurz w izolowanym pojemniku styropianowym wypełnionym suchym lodem.
      UWAGA: Próbki LiSES nie miały kontaktu ani z wilgocią, ani z tlenem, gdy znajdowały się poza komorą podręczną, ponieważ butelki były szczelnie zamknięte.
    2. Schłodzić każdą butelkę do temperatury około 10 °C, trzymając każdą butelkę zanurzoną w suchym lodzie przez około 30 minut przed ponownym przelaniem do komory rękawicowej w celu pomiaru przewodności.
    3. Przednią komorę komory rękawicowej należy oczyścić co najmniej 5 razy dla każdej schłodzonej próbki, aby upewnić się, że butelka nie zawiera śladowych ilości kondensacji pary wodnej z powrotem do komory rękawicowej.
    4. Podobnie jak w przypadku pomiarów przewodności w funkcji temperatury dla próbek LiSESna bazie naftalenu1, należy zmierzyć przewodność LixCor(THF)247 (x = 1, 2, 3, 4, 5) przez okres od jednej do dwóch godzin, aż każda próbka powróci do temperatury otoczenia. Sonda pozostanie zanurzona w próbce przez cały czas trwania pomiaru przewodności.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Reakcja różnych ilości litu z mieszaninami 1,3,5-trifenylobenzenu i THF prowadzi do powstania roztworów o barwie zielono-niebieskiej lub ciemnoniebieskiej, co przedstawiono na Rysunku 2. Jasny kolor wskazuje na niskie stężenie zwodniałych elektronów w danej próbce LiSES. W przypadku 1,3,5-trifenylobenzenu obserwuje się wzrost przewodnictwa wraz ze wzrostem stosunku Li:PAH od 1 do 2 w 0,5 M roztworze THF (Tabela 1). Jednakże wartość przewodnictwa stopniowo spada przy dalszym zwiększaniu s...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W przypadku LiSES na bazie 1,3,5-trifenylobenzenu próbka o jasnym kolorze pokazuje, że ma ona niskie stężenie solwatowanych elektronów. LixTPB(THF)24,7 (dla x = 1, 2, 3, 4) wykazuje zachowanie w swojej przewodności w stosunku do x podobne do obserwowanego dla LiSES wykonanego z bifenylu i naftalenu1, 2. Początkowy wzrost przewodności następuje wraz ze wzrostem stosunku Li:PAH z 1 do 2, a następnie spadkiem przewodności po dalszym zwiększeniu stosunku molowego do 3 i 4, przy czym ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują za dofinansowanie z Funduszu Badawczego Tier 2 Ministerstwa Edukacji Singapuru (projekt MOE2013-T2-2-002) dla tego projektu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Tetrahydrofuran bezwodny, ≥ 99,9%, FoliaSigma Aldrich401757-100ML
inhibitorów Alfa Aesar010769.14
Cond 3310 Miernik przewodnościWTWNie dotyczy
1,3,5-trifenylobenzenSyntetyzowany z acetofenonu zgodnie z procedurą opisaną w literaturze
Tetrachlorek krzemuSigma Aldrich215120-100G
acetofenonTCIA0061-500g
EtanolMerck Millipore1.00983.2511
Koranulensyntetyzowany w procedurze literaturowej
litowa bez

Bibliografia

  1. Tan, K. S., Yazami, R. Physical-Chemical and Electrochemical Studies of the Lithium Naphthalenide Anolyte. Electrochim Acta. 180, 629-635 (2015).
  2. Tan, K. S., Grimsdale, A. C., Yazami, R. Synthesis and Characterisation of Biphenyl-Based Lithium Solvated Electrons Solutions. J Phys Chem B. 116, 9056-9060 (2012).
  3. Rinaldi, A., Tan, K. S., Wijaya, O., Wang, Y., Yazami, R. Ch. 11. Advances in batteries for large- and medium-scale energy storage applications in power systems and electric vehicles. Menictas, C., Skyllas-Kazacos, M., Lim, T. M., Hughes, S. , Woodhead Publishing Ltd. (2014).
  4. Wang, Y., Tan, K. S., Yazami, R. Materials Challenges In Alternative & Renewable Energy (MCARE 2014). , Florida, USA. (2014).
  5. Yazami, R., Tan, K. S. in 8th annual Li Battery Power. , Boston, USA. (2012).
  6. Hybrid Electrochemical Generator With A Soluble Anode. US patent. , 20100141211A1 (2010).
  7. Yazami, R., Tan, K. S. Liquid Metal Battery. US patent. , 20150333353A1 (2015).
  8. Lim, Z. B., et al. Synthesis and assessment of new cyclopenta-2,4-dienone derivatives for energy storage applications. Synthetic Met. 200, 85-90 (2015).
  9. Butterfield, A. M., Gilomen, B., Siegel, J. S. Kilogram-Scale Production of Corannulene. Org. Process Res. Dev. 16, 664-676 (2012).
  10. Elmorsy, S. S., Pelter, A., Smith, K. The direct production of tri- and hexa-substituted benzenes from ketones under mild conditions. Tetrahedron Lett. 32, 4175-4176 (1991).
  11. Zabula, A. V., Filatov, A. S., Spisak, S. N., Rogachev, A. Y., Petrukhina, M. A. A Main Group Metal Sandwich: Five Lithium Cations Jammed Between Two Corannulene Tetraanion Decks. Science. 333, 1008-1011 (2011).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

roztwór tetrahydrofuranurozpuszczanie litu metalicznegopomiary przewodnościtemperatura otoczeniaLiSES na bazie korannulenuLiSES na bazie TPBstosunek litu do wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznychrękawica laboratoryjna wypełniona argonem