Synteza tiolowego bloku budulcowego do krystalizacji półprzewodnikowego żyroidalnego szkieletu metal-siarka
9 kwietnia 2018
Tutaj prezentujemy jednogarnkową, wolną od metali przejściowych syntezę tioli i tioestrów z halogenków aromatycznych i tiometlenku sodu, a następnie przygotowanie monokryształów sieci metal-ditiolen przy użyciu form tiolu generowanych in situ z bardziej stabilnego i podatnego na działanie tioestru.
Ogólnym celem tego protokołu jest synteza cząsteczek łącznika tiolowego i przygotowanie monokryształów porowatych struktur metalowo-siarkowych z tych gatunków tioli. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu chemii materiałowej, dotyczące tego, jak lepiej przygotować sieci krystaliczne z jonów metali i cząsteczek merkaptanu. Główną zaletą tej techniki jest wygodna i skrócona synteza w czasie, która wykorzystuje względnie stabilny tioester jako prekursor do montażu szkieletu.
Procedurę zademonstruje pan He Yonghe, doktorant w moim laboratorium. Aby rozpocząć procedurę, podłącz 200-mililitrową kolbę Schlenka, wyposażoną w mieszadło, do kolektora próżniowo-gazowego. Opróżnić i trzykrotnie napełnić kolbę azotem gazowym.
Od tego momentu utrzymuj kolbę napełnioną przepływającym azotem pod lekkim dodatnim ciśnieniem. Następnie usuń blok metalicznego sodu z oleju mineralnego, w którym był przechowywany. Zetrzyj resztki oleju mineralnego ręcznikiem papierowym i zeskrob warstwę tlenku nożem.
Szybko odważ około 6,7 grama metalicznego sodu i zanotuj wagę. Pokrój sód na małe kawałki i przenieś je do kolby Schlenka pod przeciwprądowym przepływem azotu gazowego. Natychmiast uszczelnić kolbę przegrodą.
Dodać 80 mililitrów bezwodnego, bezpowietrznego tetrahydrofuranu do kolby za pomocą transferu kaniuli. Następnie pobrać do strzykawki 14,0 mililitrów dwusiarczku dimetylu oczyszczonego azotem. Dodawać DMDS do mieszaniny kroplami w atmosferze azotu.
Zastąp przegrodę korkiem ze szlifowanego szkła. Następnie mieszaj mieszaninę w temperaturze pokojowej przez 24 godziny pod strumieniem azotu. Następnie mieszaj mieszaninę w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez trzy godziny.
Upewnij się, że kolektor próżniowy jest wyposażony w wymrażarkę w linii z wylotem gazu. Mieszając mieszaninę w temperaturze 60 stopni Celsjusza, odparuj THF i nadmiar DMDS pod stałym strumieniem azotu gazowego, aż utworzy się ciało stałe. Usunąć pozostałości THF i DMDS z ciała stałego w próżni przez dwie godziny, aby otrzymać tiometan sodu w postaci jasnożółtego ciała stałego.
Produkt należy przechowywać w atmosferze azotu przy braku światła. Aby rozpocząć syntezę HVaTT, należy podłączyć 50-mililitrową kolbę Schlenka, wyposażoną w mieszadło, do kolektora próżniowego i przepłukać kolbę. Szybko odmierz około 0,664 grama tiometlenku sodu i zanotuj wagę.
Pod przeciwprądowym przepływem gazowego azotu szybko załadować tiometan sodu do kolby reakcyjnej i zakorkować kolbę. Dodać 0,216 grama HBT do kolby pod przeciwprądowym przepływem azotu gazowego i uszczelnić kolbę przegrodą. Dodać 10 mililitrów bezwodnego, bezpowietrznego DMEU do kolby za pomocą transferu kaniuli.
Następnie zastąp przegrodę korkiem ze szlifowanego szkła. Podgrzej mieszaninę do 240 stopni Celsjusza w kąpieli solnej i mieszaj mieszaninę w atmosferze azotu przez 48 godzin. Gdy będziesz gotowy do sprawdzenia postępu reakcji, pod strumieniem azotu gazowego, użyj szklanej pipety, aby przenieść około 0,1 mililitra mieszaniny reakcyjnej do plastikowej fiolki do mikrowirówki zawierającej 0,1 mililitra czystego chlorku waleroilu.
Szybko zamknąć fiolkę. Potrząsaj mieszaniną przez minutę. Następnie dodaj do mętnej, szaro-białej mieszaniny 0,4 mililitra wody dejonizowanej i 0,1 mililitra octanu etylu.
Potrząsaj mieszaniną jeszcze przez kilka sekund i pozwól mieszaninie się rozdzielić. Jeśli między warstwami znajduje się nierozpuszczalna biała substancja, reakcja jest prawdopodobnie niekompletna. Jeżeli nie zaobserwuje się niczego między warstwą wody a warstwą octanu etylu, reakcja jest potencjalnie zakończona i próbka może być dalej badana za pomocą chromatografii cienkowarstwowej.
Umieść górną warstwę na płytce TLC. Rozwiń płytkę z mieszaniną 1 do 4 octanu etylu i eteru naftowego jako eluentu i wizualizuj płytkę za pomocą światła UV. Zbadaj płytkę, aby ustalić, czy reakcja jest zakończona.
Po zakończeniu reakcji wyjąć kolbę z łaźni solnej i pozostawić mieszaninę do ostygnięcia do temperatury pokojowej. Następnie schłodzić mieszaninę do zera stopni Celsjusza za pomocą kąpieli lodowej. Zastąp korek gumową przegrodą.
Pobrać 1,5 mililitra chlorku waleroilu do strzykawki. Dodaj chlorek waleroilu do mieszaniny kroplami przez około dwie minuty w atmosferze azotu. Zastąp przegrodę korkiem ze szkła mielonego i mieszaj mieszaninę w temperaturze zero stopni Celsjusza przez dwie godziny.
Następnie rozcieńczyć mieszaninę 50 mililitrami lodowatej wody. Trzykrotnie ekstrahuj produkt do 30-mililitrowych porcji octanu etylu. Umyj połączone warstwy organiczne sześciokrotnie 60-mililitrowymi porcjami wody dejonizowanej.
Umyte frakcje organiczne wysuszyć na bezwodnym siarczanie magnezu. Odfiltrować siarczan magnezu i usunąć substancje lotne z filtratu za pomocą wyparki obrotowej. Wyizolować oleisty produkt surowy metodą chromatografii kolumnowej z mieszaniną octanu etylu i eteru naftowego w proporcjach 1-10 jako eluentu.
Usunąć substancje lotne za pomocą wyparki obrotowej, aby uzyskać jasnożółty olej. Połącz olej z pięcioma mililitrami metanolu, sonikuj mieszaninę przez dwie minuty i zbierz powstały produkt stały w kolorze białawym przez filtrację próżniową. Aby rozpocząć syntezę HTT-Pb, rozpuść 5,7 miligrama trójwodnego octanu ołowiu i dwóch w 1,0 mililitrach etylenodiaminy w pięciomililitrowej fiolce.
Umieść 4,6 miligrama HVaTT, 1,0 mililitra odgazowanego 140-milimolowego roztworu wodorotlenku sodu w metanolu i 0,7 mililitra etylenodiaminy w 10-mililitrowej probówce Schlenka. Kryształy o różnych rozmiarach można uzyskać, dostosowując rozpuszczalniki i zasadowość mieszaniny reakcyjnej. Na przykład zmieniając stosunek objętości metanolu etylenodiaminy między jednym do dwóch i jeden do jednego, a stosunek molowy wodorotlenku sodu HVaTT od jednego do 14 i od jednego do 28.
Sonikować mieszaninę HVaTT przez pięć minut. Następnie dodać roztwór ołowiu i octanu dwóch ołowiu do mieszaniny HVaTT. Pęcherzyk azotu przez mieszaninę przez jedną minutę bez mieszania.
Uszczelnij rurkę Schlenka zakrętką i podgrzewaj mieszaninę w piekarniku w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 48 godzin. Następnie pozwól mieszaninie ostygnąć do temperatury pokojowej, aby wyrosły żółto-pomarańczowe monokryształy oktaedryczne, odpowiednie do dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego monokryształów. Za pomocą pipety usuń roztwór z kryształów i kilkakrotnie przemyj kryształy metanolem.
Przechowuj umyte monokryształy w pięciu mililitrach metanolu bez powietrza. Następnie otrzymać roztwór wodny o stężeniu 0,1% wagowo paraquot dijodku. Przenieść kilka monokryształów HTT-Pb z podstawowego roztworu metanolu na płytkę Petriego.
Użyj bibuły laboratoryjnej lub bibuły filtracyjnej, aby wchłonąć nadmiar metanolu w naczyniu. Ostrożnie nałóż kilka kropli roztworu dijodku paraquot na kryształy. Obserwuj zmianę koloru kryształów pod mikroskopem lub gołym okiem.
Widmo protonów NMR HVaTT wykazało singlet z wodorów aromatycznych i multiplety z protonów alifatycznych. Alifatyczne rozciąganie C-H zaobserwowano również w widmie HVaTT IR. Silna absorpcja na poziomie 1700 odwrotnych centymetrów została przypisana karbonylowi rozciągającemu się z karbonylków chroniących grupy tioestrowe.
To rozciąganie karbonylowe było odpowiednio nieobecne w widmie IR krystalicznego HTT-Pb. HTT-Pb nie miał również alifatycznego rozciągania C-H obserwowanego w HVaTT. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego w proszku krystalicznego HTT-Pb była zgodna z opisaną strukturą monokryształu HTT-Pb.
Wykazanie czystości produktu w fazie krystalicznej. Kryształy HTT-Pb były wysoce wrażliwe na dijodek paraquot w wodzie, przy czym kryształy zmieniały kolor w ciągu jednej do dwóch minut od kontaktu z wodnym roztworem dijodku paraquot. To zachowanie przypisano silnym oddziaływaniom przenoszenia ładunku między bogatym w elektrony szkieletem HTT-Pb a gościem paraquot z dużym niedoborem elektronów.
Technika ta toruje drogę naukowcom zajmującym się materiałami o otwartej strukturze do badania budowy różnych sieci metal-tiolan w celu badania ich właściwości elektronicznych i katalitycznych. Procedura ta ułatwi głębsze badania tych ważnych materiałów szkieletowych typu metal-siarka. Aromatyczny tioester można również przygotować do identyfikacji chemii molekularnej i chemii roztworu przy użyciu tej procedury.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten protokół opisuje jednoczynnościową, bezmetalową syntezę cząsteczek łączników tiolowych oraz przygotowanie pojedynczych kryształów struktur metalo-siarkowych. Metoda wykorzystuje stabilne tiolestory jako prekursory, ułatwiając montaż sieci krystalicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia materiałowa
- Synteza tioli
- Metalo-siarkowe struktury
Tło
- Łączniki tiolowe są kluczowe dla konstrukcji metalo-siarkowych struktur.
- Stabile tiolestory służą jako efektywne prekursory dla syntezy tioli.
- Rozumienie montażu sieci krystalicznych może posunąć naprzód naukę o materiałach.
- Celem tej metody jest zmniejszenie czasu i złożoności syntezy.
Cel badania
- Efektywna synteza cząsteczek łączników tiolowych.
- Przygotowanie pojedynczych kryształów porowatych metalo-siarkowych struktur.
- Zbadanie procesu montażu sieci krystalicznych z jonów metali i tioli.
Zastosowane metody
- Podłączenie kolby Schlenk do kolektora próżniowo-gazowego.
- Ewakuacja i napełnienie kolby gazem azotowym.
- Synteza tioli z halogenków aromatycznych i tiometoksydu sodu.
- Przygotowanie sieci metalo-ditiolenowych za pomocą wygenerowanych tioli.
Główne wyniki
- Udana synteza łączników tiolowych z tiolestrów.
- Formowanie pojedynczych kryształów metalo-siarkowych struktur.
- Demonstracja metody syntezy o zmniejszonym czasie.
- Wgląd w montaż sieci krystalicznych.
Wnioski
- Metoda zapewnia wygodne podejście do syntezy tioli.
- Ułatwia przygotowanie złożonych metalo-siarkowych struktur.
- Badanie to przyczynia się do postępów w chemii materiałowej.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This method enables reliable synthesis of thiol linkers for constructing crystalline metal-sulfur frameworks, addressing a key challenge in materials chemistry where reactive thiols hinder controlled assembly. By using stable thioester precursors that generate thiols in situ, the approach improves crystallinity and reproducibility of porous framework materials. This supports early-stage discovery of functional materials with potential relevance to electronic and catalytic applications in biopharma-adjacent research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of structure-property relationships in metal-organic networks through precise linker delivery.
- Operational Value: Reduces synthetic complexity and time via one-pot thioester synthesis under accessible conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces purified, stable thiol precursors suitable for standardized framework assembly.
- Operational Value: Facilitates batch-to-batch consistency in material synthesis through chromatography-purified intermediates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports exploration of porous frameworks for guest-responsive behavior, relevant to sensing applications.
- Operational Value: Demonstrates framework stability and crystallinity, enabling downstream characterization.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery workflows where reliable generation of building blocks enables systematic exploration of structure-function relationships in porous materials.
- Discovery Biology: Not applicable; focused on materials synthesis rather than biological systems.
- Screening: Enables preparation of crystalline materials for property screening via controlled thiol release.
- Analytics: Provides quantifiable outputs such as crystallinity and guest-induced optical changes for comparative analysis.
- Translational Research: Supports continuity from synthesis to functional testing of frameworks in sensing or catalysis models.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular thiol precursor strategy adaptable to various aromatic systems for library generation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in framework formation by mitigating linker decomposition.
- Operational Value: Uses economical reagents and standard lab equipment, enhancing accessibility.
- Strategic Value: Reduces failure rates in crystallization, improving resource efficiency in materials discovery.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of framework candidates based on successful crystallization outcomes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in air-sensitive Schlenk techniques and anhydrous solvent handling.
- Needs vacuum-manifold setup, cold traps, and temperature-controlled reaction vessels.
- Demands standardization of purification and crystallization parameters across batches.
- Involves adaptation considerations when extending to different thiol precursors or metal ions.
- Limited by the need for inert atmosphere and careful thermal control during thioester formation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:49
Sodium Thiomethoxide (CH3SNa) Synthesis
3:09
2,3,6,7,10,11-Hexakis(pentanoylthio)triphenylene (HVaTT) Synthesis
7:45
Lead 2,3,6,7,10,11-Triphenylene Hexathiol (HTT-Pb) Framework Single Crystal Synthesis and Interaction with Paraquat Diiodide
10:13
Results: HVaTT and HTT-Pb ([Pb3OH0.5(HTT)]-1.5) Characterization
11:47
Conclusion
![Synteza [Sn10(Si(SiMe3)3)4]2- przy użyciu metastabilnego roztworu halogenku Sn(I) zsyntetyzowanego techniką kondensacji](/_next/image?url=https%3A%2F%2Fcloudfront.jove.com%2FCDNSource%2Fteasers%2F54498.jpg%3Fv%3D2026-08-11T08%253A27%253A18.406Z&w=384&q=75)
