Artigo de método

Síntese de um Bloco de Construção Tiol para a Cristalização de uma Estrutura Semicondutora de Metal-Enxofre com Geometria Giroidal

DOI:

10.3791/57455

⸱

9 de abril de 2018

 ,  ,  , 
1School of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology, 2Department of Chemistry, City University of Hong Kong

Neste artigo

Resumo

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Aqui, apresentamos uma síntese de um pote, transição-metal-free de tióis e tioésteres de halogenetos aromáticos e thiomethoxide de sódio, seguido de preparação de monocristais de uma rede de metal-dithiolene usando espécies tiol gerados in situ desde o mais estável e tractable Tioéster.

Resumo

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Apresentamos um método para a preparação de Tioéster moléculas como o mascarado de linkers o tiol e sua utilização para aceder a uma rede de dithiolene metal semicondutor e poroso no estado cristalino único altamente ordenada. Ao contrário os altamente reativos tióis autônoma, que tendem a se decompor e complicar a cristalização do metal-thiolate estruturas abertas, o Tioéster reage em situ para fornecer as espécies tiol, servindo para mitigar a reação entre o mercaptano unidades e os centros de metal e, consequentemente, melhorar a cristalização. Especificamente, o Tioéster foi sintetizado em um procedimento de um pote: um aromático brometo de (hexabromotriphenylene) reagiu com excesso de sódio thiomethoxide sob condições vigorosas para formar primeiro produto intermédio tioéter. O Tioéter foi então desmetilado pelo excesso thiomethoxide para fornecer o ânion thiolate que foi acylated para formar o produto Tioéster. O Tioéster foi convenientemente purificado por cromatografia de coluna padrão e usado diretamente na síntese de quadro, no qual o NaOH e etilenodiamina servem para reverter em situ do Tioéster para o vinculador tiol para montar o Single-cristalino Pb (II)-rede de dithiolene. Em comparação com outros métodos para a síntese de tiol (EG., por clivagem alquil Tioéter usando sódio amônia líquida e metal), a síntese do Tioéster aqui usa condições simples e econômicos reagentes. Além disso, o produto Tioéster é estável e pode ser convenientemente tratado e armazenado. Mais importante, em contraste com a dificuldade genérica de acesso aberto estruturas cristalinas metal-thiolate, demonstramos que usando o Tioéster in situ formação do vinculador tiol melhora extremamente a cristalinidade do estado sólido produto. Temos a intenção de incentivar os esforços de investigação mais amplos sobre as estruturas de metal-enxofre tecnologicamente importantes através da divulgação do protocolo sintético para o Tioéster, bem como a estrutura cristalina contínua.

Introdução

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Há atualmente grande interesse em empregar forte, polarizada metal-enxofre (EG., metal-thiolate) ligações para a construção de abrir materiais quadro com electrocatalytic reforçada e propriedades condutoras1,2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10. além de promover interação eletrônica e transporte no estado estendido, as ligações de enxofre-metal macias e covalentes também transmitir melhor estabilidade para aplicações em ambientes aquosos. Entre enxofre-equipado blocos de construção, simétricos, multidentate blocos de construção aromáticos policíclicos como 2,3,6,7,10,11-trifenileno hexathiol (HTT)9,11,12,13 , 14 não só fornecer elétrons π altamente polarizados, mas também oferecem vantagens distintas em relação ao projeto de estrutura e síntese. Em primeiro lugar, o núcleo trifenileno rígida e simétrica, em conjunto com os grupos dithiolene quelantes de HTT, serve para bloquear em íons metálicos em motivos de ligação regular, simplificando a previsão estrutural da rede em perspectiva7, 15. juntamente com a geometria rígida e aberta do vinculador enxofre, estruturas de quadro com características de porosidade substancial, muitas vezes podem ser alcançadas no estado sólido.

Um grande desafio na montagem de materiais thiol-equipado metal orangic framework (MOF) está enraizado na síntese de moléculas orgânicas vinculador. Em um protocolo clássico, o grupo tiol tinha que ser derivado do grupo fenol usando o rearranjo de Newman-Kwart do - aril thiocarbamate precursor16,17,18. Esta abordagem, no entanto, envolve passos preparativa elaborados para a molécula precursora de fenol, bem como possíveis complicações de uma transformação de fase sólida de alta temperatura. Outra maneira de fazer tióis utiliza dealkylation redutora de thioethers sob as duras condições de, por exemplo, sódio metálico em amônia líquida19,20,21,22e não é compatível com a carboxila e muitas outras funções de doadores para construção da rede.

Por comparação, o protocolo apresentado aqui tem várias vantagens: segurança, conveniência, custo-eficácia e compatibilidade com outros grupos funcionais (ex., carbonitrilo e pyridinyl). Aquecendo-se vigorosamente o haleto de aromático geralmente barato (EG., hexabromotriphenylene) e o ânion thiomethoxide, o ânion thiolate foi gerado (através do produto intermédio metil Tioéter) e então acylated dar o estábulo e fácil de manusear Tioéster produto-tudo em uma panela.

Descreveremos também um procedimento para a utilização das moléculas Tioéster como forma mascarada de linkers o tiol para aceder a uma rede de dithiolene metal semicondutor e porosa single-cristalino. Ao contrário os altamente reativos tióis autônoma, que tendem a se decompor e complicar a cristalização do metal-thiolate estruturas abertas, o Tioéster pode ser prontamente clivada (EG., por NaOH ou etilenodiamina) em situ para fornecer o espécie de tiol, servindo para atenuar a reação entre as unidades de mercaptan e os centros de metal e consequentemente melhorar a cristalização.

Este protocolo de preparação tiol/Tioéster não foi amplamente utilizado por outros grupos para o emergente campo das estruturas de metal-enxofre, apesar de dealkylations nucleofílicos de alquil aril thioethers por ânions thiolate já foram bem documentados por orgânicos os químicos23,24,25,26. Apresentando este eficiente método sintético para tioésteres e sua utilização para facilitar a cristalização das redes de metal-enxofre, desejamos promover os esforços no sentido de colmatar o fosso intelectual e prático entre a química orgânica sintética e química do estado sólido, a fim de ajudar o desenvolvimento saudável e rápido de estruturas porosas.

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Protocolo

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Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança relevantes antes do uso. Thiomethoxide de metilo dissulfeto e de sódio são fortemente malcheirosa e deve ser tratada em uma coifa. Sódio metálico é altamente reativo e requer precauções especiais de segurança contra incêndio potencial e riscos de explosão. Além do uso de uma coifa, equipamento de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça comprida e sapatos fechados) deve ser empregado corretamente. Porções dos seguintes procedimentos envolvem padrão, técnicas de manipulação ar-livre.

1. preparação de Thiomethoxide de sódio (CH3SNa)

  1. Conecte o balão de 200 mL de Schlenk para um distribuidor de vácuo do gás. Evacuar o balão e então aterramento com N2 três vezes, tal que o balão é preenchido com uma pressão de2 N ligeiramente positiva.
    Nota: Um método similar de preparar CH3SNa foi mencionado brevemente na literatura, mas sem procedimentos detalhados foram fornecidos27,28.
  2. Tire um bloco de sódio metálico do reservatório de óleo de querosene. Usar uma toalha de papel para limpar o óleo residual na superfície e usar uma faca para raspar a camada de óxido na superfície. Rapidamente cortar 6,7 g do sódio metálico (0,29 mol) em pedaços pequenos (ex., tamanho de soja) e transferir imediatamente os pequenos pedaços no balão de 200 mL Schlenk sob um fluxo de contador de N2. Sele o balão com um septo imediatamente.
    Nota: Para reduzir a exposição ao ar, um pode cortar o sódio com alguma variação da quantidade de 6,7 g e ajustar as quantidades de THF e dimetil dissulfeto de acordo com a quantidade real de sódio usado.
  3. Transferi 80 mL de um THF anidro, sem ar dentro da balão através de cânula sob a proteção de N2 da linha de Schlenk. Retirar 14,0 mL de dissulfeto dimetil (0,158 moles; pre-purgada com N2) em uma seringa e injetar na gota a gota sob a proteção de N2 o balão.
    Cuidado: Dissulfeto dimetil é malcheiroso e deve ser tratado em uma coifa.
  4. Substitua o septo com uma rolha de vidro. Agite a mistura de reação em temperatura ambiente por 24 h e depois a 60 ° C por 3 h.
    Nota: A mistura de reação tornou-se viscoso, agitando à temperatura ambiente; Quando aquecida a 60 ° C, a mistura pode ser agitada mais facilmente e, portanto, acelerar a reação para a sua conclusão.
  5. Com a temperatura mantida a cerca de 60 ° C, use um fluxo de N2 (0,2 L/min) para explodir fora a maioria dos solvente THF e o dissulfeto dimetil excesso, até que apareça um sólido seco. Usar uma armadilha fria (EG., gelo seco-acetona) para coletar o THF e dimetil dissulfeto na vazão.
  6. Evacuar o restante mistura sólida com um óleo bombear para cerca de 2 h remover o residual THF e dimetil dissulfeto e em seguida aterre com N2 para obter um sólido amarelo-luz (19,8 g, 97%). Armazene o produto sólido CH3SNa em uma atmosfera de nitrogênio no escuro.
    Nota: Para proteger a bomba de óleo do vácuo, uma armadilha fria deve ser usada durante o bombeamento.

2. preparação de trifenileno 2,3,6,7,10,11-hexaquis (pentanoylthio) (HVaTT) como um vinculador tiol protegido

  1. Carregar 0,664 g de CH3SNa (9,0 mmol) em um frasco de 50 mL Schlenk sob um fluxo de contador de N2 (i. e., conectado como acima para um distribuidor de vácuo do gás sob a proteção de N2 ).
    Nota: CH3SNa é sensível ao ar e absorve facilmente a água. Para minimizar a exposição ao ar, um pode rapidamente pesar uma quantidade específica e adicioná-lo ao balão e então ajustar a quantidade do outro reagente, 2,3,6,7,10,11-hexabromotriphenylene (HBT) e, por conseguinte.
    Cuidado: Sólido CH3SNa tem um cheiro forte e deve ser tratada em uma coifa.
  2. Adicionar g 0,216 de HBT (0.30 mmol) ao balão sob um fluxo de contador de N2e foca o balão com um septo.
  3. Transferi 10 mL de anidro e mal ventilado 1,3-dimetil-2-imidazolidinon (DMEU) para o balão via cânula sob a proteção de N2 da linha de Schlenk.
  4. Substituir o septo com uma rolha de vidro normal e agitar a mistura de reação e usar um banho de sal para aquecê-lo a 240 ° C por 48 h sob N2.
  5. TLC, acompanhamento dos progressos da reação: sob N2, use um conta-gotas de vidro para retirar uma pequena alíquota da mistura de reação (cerca de 0,1 mL) e imediatamente injetá-lo em uma amostra de líquido pura de cloreto de valeroyl (cerca de 0,1 mL) em um plástico microcentrifuga frasco e em seguida agitar durante 1 min; a mistura deve imediatamente transformar turva com uma cor cinzento-branco. Adicionar 0,4 mL de água desionizada e 0,1 mL de acetato de etila, fechar a tampa e sacuda por alguns segundos.
    Nota: Se a reação completou-se já, não haverá nada que aparece entre as camadas de água e acetato de etila. Se não, uma substância insolúvel branca aparecerá entre as duas camadas.
  6. Pipeta para fora a parte superior e usá-lo para detectar as placas do TLC. Use o éter de petróleo/acetato de etila 4:1 para desenvolver a placa de TLC. Para uma reação completa, a molécula alvo aparece como um regular ponto em torno de Rf = 0,4 sob uma lâmpada UV.
  7. Desligar o aquecimento e leve o frasco de reação fora o banho de sal para resfriá-lo à temperatura ambiente e em seguida, usar um banho de gelo para esfriar o frasco até 0 ° C.
  8. Injete 1,5 mL de cloreto de valeroyl (12,6 mmol) no balão de gota a gota (durante um período de cerca de 2 min) com uma seringa sob N2. Continue mexendo a 0 ° C, durante 2 h. Nota: Adicionar cloreto de valeroyl lentamente e a baixa temperatura ajuda a reduzir a geração de subprodutos.
  9. Despeje a mistura em 50 mL de água gelada e extrato usando acetato de etila (3 30 mL). Então lave a camada orgânica combinada com água (6 60 mL), seca por anidro MgSO4e remover os compostos voláteis por um evaporador rotativo.
  10. Isolar o produto bruto oleoso por cromatografia em coluna utilizando 01:10 éter de petróleo/acetato de etila como eluente, que oferece um produto oleoso amarelo-luz após giratória evaporação dos solventes. Usar o éter de petróleo/acetato de etila 4:1 para desenvolver a placa de TLC, Rf = 0,4. Purifica ainda mais o produto oleoso usando a etapa de trituração abaixo.
  11. Adicionar 5 mL de methanolto o produto oleoso e proceda à sonicação por 2 min. recolher o sólido esbranquiçado resultante usando filtragem aspiração (rendimento: 59%).

3. preparação de cristais do Material quadro HTT-Pb

  1. Misture 11,4 mg de PbOAc·3H2O (0,030 mmol) em 1,0 mL de etileno diamina em um frasco para fazer uma solução clara.
  2. Carregar 9,1 mg de HVaTT (0.010 mmol), 2,0 mL de metanol previamente desgaseificado solução de NaOH (70 mmol/L) e 1,0 mL de etileno diamina dentro de um frasco de 10mL vazia e proceda à sonicação por 5 min.
  3. Adicione a solução de PbOAc à mistura de HVaTT de lisados. Depois da bolha mistura reacional com N2 por 1 min e coloque a tampa de enroscar para selar o frasco.
  4. Aqueça o frasco a 90 ° C em um forno para 48 h, seguido de refrigerar natural à temperatura ambiente, durante a qual amarelo-laranja, cristais octaédricos apropriados para estudos de difração de raios x do único-cristal foram formados (rendimento: 45%).
  5. Filtração, fora os cristais de sucção e lavar rapidamente com MeOH. Transferi os cristais com um conta-gotas de vidro em um frasco contendo airless MeOH (5 mL) para armazenamento em temperatura ambiente.

4. interação de Paraquat Diiodide com cristais HTT-Pb

  1. Usar um pipeta Pasteur de vidro para retirar alguns grãos de cristal único HTT-Pb do estoque MeOH e solte-o sobre um prato de Petri (diâmetro 35 mm e profundidade de 10 mm). Absorver o líquido de metanol por tecido ou papel de filtro (ou deixe o MeOH secar naturalmente) e depois soltar para os cristais de algumas gotas de uma solução aquosa de paraquat diiodide (0,1%, w/w).
  2. Observar a cor mudança dos cristais a olho nu ou ao microscópio.

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Resultados

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O espectro de IR da molécula HVaTT (coletado pelo método de pelota KBr) apresenta a sua mais forte absorção em 1.700 cm-1, em conformidade com o alongamento da carbonila do grupo funcional Tioéster. O espectro de 1H-NMR de HVaTT (400 MHz, CDCl3) revela um singleto em δ 8.47 partir os hidrogênios aromáticos, juntamente com 4 multiplets dos prótons alifáticos: δ 8.47 (s, 6 H, CHAr), 2,75-2.72 (t, J = 7,4, 12 H, CH2), 1,81-1,77 (m, 12 H, C...

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Discussão

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A reação entre o grupo de bromo e o ânion thiomethoxide aparentemente primeiro produzido o metil Tioéter, que era então desmetilado pelo excesso thiomethoxide para fornecer o produto de ânion thiolate. Para assegurar a conversão completa para o ânion thiolate desejada (especialmente para um substrato polibrominato como HBT), as condições vigorosas de prolongado aquecimento (por exemplo, 240 ° C durante mais de 48 h) com um grande excesso de sódio thiomethoxide (por exemplo, mais de três vezes as toupeir...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (21471037), fundos de ciência Natural de Guangdong de ilustres jovens estudiosos (15ZK0307), ciência e tecnologia de planejamento de projeto da província de Guangdong (2017A050506051) e o Conselho de bolsas de investigação de Hong Kong [GRF 11303414].

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
BromoDAMAO CHEMICAL REAGENT FACTORY7726-95-6
Trifenileno altamente tóxico   HWRK ChemHWG45510
Pó de ferroSigma-Aldrich12310
NitrobenzenoDAMAO FÁBRICA DE REAGENTES QUÍMICOS2934
Éter dietílicoFÁBRICA DE REAGENTES QUÍMICOS DAMAO48
DiclorometanoFÁBRICA DE REAGENTES QUÍMICOS DAMAO3067
Metal de sódioJ& KWM-NMS-54-25X-50G
TetrahidrofuranoJ& K315353
Dissulfeto de dimetilaINTERNATIONAL LABORATORY USA
1,3-Dimetil-2-imadazolidinonaJ& K50483Seco sobre 4Å peneiras
Cloreto de valerylJ& K99590
MetanolGuangzhou Chemical Reagent Factory2334
Hidróxido de sódioGuangzhou Chemical Reagent Factory1588
Etileno diaminaRiedel-de Haë n15070
Acetato de chumbo trihidratadoPEQUIM QUÍMICO
sensível ao ar 726415 861218

Referências

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