$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Chalkogenki metali, takie jak SnSe lub CuInSe, są wszechstronnymi materiałami o szerokim zakresie zastosowań, na przykład jako półprzewodnikowe, termoelektryczne lub nieliniowe materiały optyczne1-6. Podobne składy pierwiastkowe znajdują się w chalkogenidometalianach, gdzie metal znajduje się na formalnie dodatnim stopniu utlenienia i jest koordynowany przez ujemne ligandy (poli)chalkogenidowe, aby uzyskać ogólny gatunek anionowy. W odróżnieniu od wyżej wymienionych materiałów, takie metalany składają się dodatkowo z przeciwjonów, które są dobrze oddzielone od anionowej podbudowy. Typowymi kationami są (solwatowane) metale alkaliczne lub metale ziem alkalicznych, jony amonu lub fosfonii. Najczęściej takie sole z anionami chalkogenidometalianowymi mają właściwości fizyczne podobne do ich rodzicielskich związków binarnych lub trójskładnikowych, takie jak podobne przerwy energetyczne lub właściwości foto- i półprzewodnictwa. Jednak ze względu na szeroki zakres możliwych architektur anionowych w każdej kombinacji pierwiastków, począwszy od izolowanych gatunków molekularnych, poprzez nici i arkusze połączonych ze sobą anionów, aż po rozszerzone trójwymiarowe ramy, można osiągnąć jeszcze dokładniejsze dostrojenie różnych właściwości, ostatecznie dążąc do zaprojektowanej syntezy związków o pożądanych właściwościach. W ramach koncepcji redukcji wymiarowej wykazano, że względny wzrost przeciwjonów na jednostkę wzoru, który towarzyszy redukcji z 3D za pomocą architektur anionowych 2D i 1D do 0D (0D reprezentujących gatunki molekularne), zmniejsza obserwowaną przerwę energetyczną7. Ponadto, dzięki zastosowaniu różnych (lub mieszanin) ligandów chalkogenkowych, możliwe jest nawet uzyskanie bardzo precyzyjnej regulacji pasma wzbronionego8,9.
Oprócz tych praktycznych zastosowań i wizjonerskich relewantów, chalkogenidometalany są nadal badane pod kątem fundamentalnego zrozumienia, takiego jak generowanie nowych typów struktur anionowych lub odkrywanie i interpretacja niezwykłego wiązania, a także ich niespotykanych właściwości. Podczas gdy lżejsze kongenery (tj. oksydometalany, powszechnie określane jako oksometalany) były szeroko badane, w szczególności pod kątem potencjalnych zastosowań katalitycznych, cięższe chalkogenidometalany są znacznie mniej zbadane.
Nasze własne zainteresowanie skupiło się na syntezie, właściwościach i dalszej reaktywności chalkogenidotelatów (tj. cięższych homologów krzemianów)10,11. Istnieje szeroka gama takich związków, począwszy od stabilnych w wodzie i rozpuszczalnych anionów binarnych, takich jak [SnTe4]4- anion12; do organicznych, funkcjonalizowanych i wielorakich związków klastrowych, takich jak {[Ir3(cod)3(μ3-S)2](μ3-S)SnCl}2 (ChZT = cyklookta-1,5-dien)13. Nasze najnowsze badania dotyczą chalkogenidoplumbianów, z ołowiem jako centralnym atomem (atomami) metalu. Zgodnie z koncepcją par obojętnych dla ciężkich atomów, zajmującą się stabilizacją orbitalu 6s spowodowaną efektami relatywistycznymi, ołów jest zwykle obserwowany w formalnym stopniu utlenienia +II. Wyjątkami takimi jak PbO2 są silne utleniacze, a cięższe chalkogenki ołowiu(IV), "PbCh2", nie zostały odkryte do tej pory14. To samo odnosi się do anionów chalkogenidoplumbate(IV), z których do niedawna odnotowano tylko15 [PbO4]4- (patrz poniżej).
Oprócz zróżnicowanej grupy strukturalnie badanych oksydoplumbianów(II,IV), było tylko kilka przykładów chalkogenidoplumbatów(II), a mianowicie [PbTe3]4-, z trygonalnym anionem piramidalnym16; i [Pb2Ch3]2-, gdzie Ch = Se lub Te, z trygonalnym dwupiramidalnym anionem17. Są one syntetyzowane przez trasę, która została również zastosowana do generowania jonów Zintl18. Po przygotowaniu wielorakich faz międzymetalicznych przez stopienie pierwiastków w wysokich temperaturach, następująca ekstrakcja za pomocą rozpuszczalników w obecności środka sekwestrującego pozwala uzyskać pożądane produkty w postaci (mono)krystalicznej. Na przykład w przypadku anionów [Pb2Ch3]2-, faza o nominalnym składzie "KPbCh" została wyekstrahowana za pomocą 1,2-diaminoetanu (en) w obecności 4,7,13,16,21,24-heksaoksa-1,10-diazabicyklo[8.8.8]heksakozanu ([2.2.2]krypt). Kryptand jest niezbędny zarówno do krystalizacji po wzroście efektywnego promienia kationu w złożonym przeciwjonie {K[2.2.2]crypt}+, aby lepiej dopasować rozmiar anionowy, jak i do ekranowania ładunku dodatniego, który hamuje zwrotne oddawanie elektronów od anionu w roztworze. Takie sole z zamkniętymi w kapsułkach kationami zwykle wykazują wysokie tendencje do krystalizacji, a tym samym dość dobre plony w porównaniu z odpowiadającymi im solami bez środków sekwestracyjnych. Jednak dość kłopotliwa synteza lub wysokie ceny kryptowalut uniemożliwiają nadmierne skalowanie takich podejść.
Natomiast K4[PbTe3]·2en jest syntetyzowany poprzez redukcję in situ w roztworze, co już zostało użyte już w 1891 roku do wytworzenia słynnego Pb9 4- anion19,20. W przypadku tych ostatnich pierwiastkowe metale alkaliczne dodawano do zawiesin ołowiu w ciekłym amoniaku w niskich temperaturach, podczas gdy w przypadku tellurdoplumbianu stop o nominalnym składzie "PbTe2" został zredukowany w temperaturze pokojowej, ponownie przez dodanie pierwiastkowego potasu.
Nasze pierwsze podejście do takich gatunków metalianów, które zostaną tutaj przedstawione, to połączenie obu ścieżek. W tym przypadku po syntezie w stanie stałym następuje albo redukcja roztworu w obecności niedrogich środków sekwestrujących, takich jak 1,4,7,10,13,16-heksaoksacyklooktadekan (18-korona-6), albo poprzez redukcję metalami alkalicznymi, które są chelatowane przez sam rozpuszczalnik, bez potrzeby stosowania dodatkowych środków sekwestrujących, podobnie jak w przypadku syntezy [Na4(en)7][Sn9]21. Nasze drugie podejście również rozpoczyna się od syntezy wysokotemperaturowej, ale po niej następuje ekstrakcja solwotermiczna powstałych faz (tj. ekstrakcja w podwyższonych temperaturach i ciśnieniach)22. W dalszej części przedstawimy zarówno podejścia syntetyczne, jak i niektóre z naszych ostatnich wyników dotyczących zastosowania tych ścieżek reakcji.