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Chemistry

1,3,5-Triphenylbenzene e corannulene come Electron recettori per litio solvatato Electron Solutions

Published: October 10, 2016 doi: 10.3791/54366

Abstract

Gli autori riferiscono a studi di conducibilità effettuati su soluzioni di elettroni al litio solvatato (Lises) preparati utilizzando due tipi di idrocarburi policiclici aromatici (IPA), vale a dire 1,3,5-triphenylbenzene e corannulene, come recettori di elettroni. Gli IPA solidi sono stati sciolti in tetraidrofurano (THF) per formare una soluzione. Il litio metallico è stato quindi disciolto in queste soluzioni PAH / THF per fornire sia soluzioni blu blu o verde, colori che sono indicativi della presenza di elettroni solvatate. Le misure di conducibilità a temperatura ambiente a cui i Lises 1,3,5-triphenylbenzene basati, indicata con Li x TPB (THF) 24,7 (x = 1, 2, 3, 4), ha mostrato un aumento della conducibilità con aumento della Li: rapporto PAH da x = 1 a 2. Tuttavia, la conducibilità diminuito gradualmente all'aumentare ulteriormente il rapporto. Infatti la conducibilità Li x TPB (THF) 24,7 per x = 4 è addirittura inferiore per x x Cor (THF) 247 (x = 1, 2, 3, 4, 5), ha mostrato relazioni lineari con pendenze negative, ad indicare un comportamento metallico simile a bifenile e naftalen Lises based.

Introduction

Le soluzioni elettrone solvatato litio (Lises) preparati con semplici idrocarburi policiclici aromatici a due anelli (IPA) come il bifenile e naftalene possono potenzialmente essere utilizzati come anodi liquidi in celle al litio refuelable 1-7. Nei Lises, questi semplici molecole PAH servito come i recettori di elettroni per elettroni solvatate da litio metallico disciolto.

Progredendo da questi sistemi a due anelli, gli autori hanno da allora svolto studi di misurazione della conducibilità in Lises che sono preparati utilizzando IPA più complessi, che iniziano con il gruppo dei derivati ciclopenta-2,4-dienone 8. Questi includono IPA IPA di grandi dimensioni (> due anelli di benzene) e IPA con sostituenti incorporati nella loro anelli aromatici. Una molecola PAH più grande con più di due anelli dovrebbe accogliere più atomi di litio per molecola PAH rispetto sia bifenile o naftalene conseguente Lises con maggiore densità di energia. L'obiettivo di 'introduzioneing sostituenti in IPA è quello di rendere la PAH accetta elettroni più facilmente e diventare più stabile polianioni in Lises.

Come parte del continuo impegno per sviluppare Lises con maggiore densità di energia, questo documento riferirà sulla caratterizzazione di Lises preparati con corannulene fatta dalla procedura letteratura 9 così come 1,3,5-triphenylbenzene, TPB sintetizzato da una letteratura leggermente modificata 10 . 1,3,5-triphenylbenzene, come mostrato nella Figura 1 (1), può essere classificato come un derivato bifenile con due anelli fenilici supplementari nelle posizioni 3 e 5 dello stesso anello. Poiché questa molecola ha quattro anelli benzenici, dovrebbe assorbimento 4 atomi di Li per molecola, che è più che per bifenile (massimo 2,5 equivalenti molari di Li per PAH in 0,5 M soluzione) e naftalene (<2,5 equivalenti molari di litio per molecola) .

Corannulene è un cinque-ring PAH disposti in una forma ciotola come mostrato nella Figura 1 (2). Zabula et al. 11 hanno dimostrato la fattibilità di dissoluzione litio metallico in una soluzione di corannulene / tetraidrofurano (THF) per formare una soluzione con cinque ioni Li + sandwich tra due tetraanions stabili di corannulene.

Figura 1
Figura 1: Le strutture molecolari di 1,3,5-triphenylbenzene (1) e corannulene (2) 1,3,5-triphenylbenzene è classificato come un derivato bifenile con due anelli fenilici aggiuntivi in posizioni 3 e 5 dello stesso anello. . Corannulene è un PAH cinque anelli con i suoi cinque anelli di benzene disposti in una forma ciotola. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Così, sia 1,3,5-triphenylbenzene e corannulene sono potenziali candidati per l'alta energiaLises densità.

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Protocol

1. Procedura di preparazione per il 1,3,5-Triphenylbenzene (1)

  1. Mettere una miscela di acetofenone (4,0 g, 33,3 mmoli) e 100 ml di etanolo assoluto in tre collo del matraccio da 250 ml a fondo tondo dotato di agitatore magnetico, condensatore a riflusso, ingresso per azoto, gorgogliatore, imbuto gocciolatore e termometro. Aggiungere tetracloruro di silicio (11,9 g, 8,0 ml, 70,2 mmoli, 2,1 eq.) Alla miscela in una porzione a 0 ° C sotto azoto usando l'imbuto.
  2. Osservare l'evoluzione di cloruro di idrogeno gassoso per 10 min. Poi agitare la miscela di reazione a 40 ° C per 20 ore.
  3. Raffreddare la miscela di reazione a 23 ° C e versare in 200 g di acqua mista a ghiaccio (rapporto 1: 1 di massa).
  4. Estrarre la miscela risultante con diclorometano (2 x 100 ml) usando un imbuto di estrazione.
  5. Lavare gli estratti riuniti una volta con soluzione satura di NaCl (100 ml), e secca su 15 g di anidro MgSO 4. Filtrare il liquido parte fuori e poi concentrarsi noizione un evaporatore rotante.
  6. Purificare il prodotto mediante ricristallizzazione da etanolo (dissoluzione in quantità minima di etanolo seguita da evaporazione parziale del solvente, mantenendo a 6 ° C per una notte, e filtrazione rapida) per ottenere 2,2 g (resa 63%) di 1,3,5-triphenylbenzene (1) come cristalli di colore giallo pallido.
    Nota: 1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3):. Δ = 7.41 (m, 3H), 7,50 (m, 6H), 7,72 (d, 6H, J = 7.33Hz), 7,80 (s, 3H) 13 C-NMR (400 MHz, CDCl 3): δ = 125.21, 127.39, 127.57, 128.88, 141.18, 142.38.

2. Lises preparati con 1,3,5-Triphenylbenzene

  1. Preparazione di 1,3,5-triphenylbenzene a base Lises
    NOTA: 1,3,5-triphenylbenzene utilizzato in questo documento è stato sintetizzato secondo il procedimento sopra descritto. I 1,3,5-triphenylbenzene Lises basati sono indicati con Li x TPB (THF) 24,7 dove x denota la Li: rapporto molare PAH e TPB denota 1,3,5-triphenylbenzene. preparare Lix TPB (THF) 24,7 all'interno di un vano portaoggetti argon-riempita a temperatura ambiente attraverso i seguenti passaggi:
    1. Misurate quantità ben definite di metallico Li, THF e TPB separatamente all'interno del cassetto portaoggetti per raggiungere l'obiettivo composizione molare Li x TPB (THF) 24,7 per x = 1, 2, 3, e 4. Usare 41,6 mg, 83,3 mg, 124.9 mg, 166,6 mg di Li per x = 1, 2, 3 e 4 rispettivamente.
    2. Per ciascuno dei quattro campioni Lises da preparare, sciogliere 1,84 g di TPB in 12 ml di THF all'interno quattro bottiglie di vetro separati per formare 12 ml di soluzione incolore di TPB (THF) 24,7 per ciascuna bottiglia. Utilizzare un M 1,3,5-triphenylbenzene 0,5 in tutte le soluzioni.
    3. Aggiungere il metallico pesato Li sventa alle quattro bottiglie e sigillare le bottiglie con parafilm.
    4. Mescolare la miscela in ogni notte flacone con un agitatore magnetico di vetro rivestite per garantire la completa dissoluzione del metallo Li.
  2. conducibilità Misure
    1. Portaresu tutte le misure di conducibilità utilizzando una sonda cella di conducibilità standard basato sulla tecnica a quattro elettrodi. Fissare la sonda cella di un metro. La sonda ha una funzione secondaria per misurare la temperatura della soluzione allo stesso tempo e visualizzare sia misure di conducibilità e temperatura.
    2. Prima di effettuare misurazioni, calibrare lo strumento con 50 ml della soluzione standard di 0,01 M acquosa KCl forniti dal produttore della sonda di conducibilità al di fuori del cassetto portaoggetti.
    3. Eseguire tutte le misure di conducibilità per Lises a base di 1,3,5-triphenylbenzene, Li x TPB (THF) 24,7 per x = 1, 2, 3, 4 all'interno del cassetto portaoggetti.
    4. Per ognuno di questi Lises, versare il campione in un breve cilindro di vetro e immergere la sonda nella soluzione. Registrare la misura di conducibilità per un periodo di una o due ore fino a ogni scheda campione ad una temperatura ambiente. Il tempo impiegato per ciascun campione per tornare a temperatura ambiente è ~ 1-2 hr. La sonda will rimanere immerse nel campione per tutta la durata della misura di conducibilità.

3. corannulene

  1. Preparazione di Lises corannulene-based
    . NOTA: Il corannulene utilizzato in questo lavoro è stato sintetizzato presso la Scuola di Scienze Fisiche e Matematiche, NTU utilizzando una procedura di letteratura più fasi 9 Le Lises corannulene-based sono indicati con Li x Cor (THF) 247 dove x denota la Li: molare PAH rapporto e Cor denota il corannulene. Preparare Li x Cor (THF) 247 all'interno di un vano portaoggetti argon-riempita a temperatura ambiente attraverso i seguenti passaggi:
    1. Misurate quantità ben definite di metallico Li, THF e Cor separatamente all'interno del cassetto portaoggetti per ottenere la composizione di destinazione molare Li x Cor (THF) 247 per x = 1, 2, 3, 4 e 5. Uso 4.2 mg, 8,3 mg, 12,5 mg, 16,6 mg e 20,8 mg di Li per x = 1, 2, 3, 4 e 5, rispettivamente.
    2. Next, per ciascuno dei Lises campioni cinque (x = 1, 2, 3, 4 e 5) da preparare, sciogliere 0,15 g di Cor in 12 ml di THF all'interno cinque bottiglie di vetro separate per formare 12 ml di soluzione incolore di Cor (THF) 247 in ogni bottiglia. Utilizzare una concentrazione corannulene di 0,05 M).
    3. Successivamente, aggiungere il metallico pesato Li sventa ai cinque bottiglie di Cor (THF) 247 e sigillare le bottiglie con parafilm.
    4. Mescolare la miscela in ogni notte flacone con un agitatore magnetico di vetro rivestite per garantire la completa dissoluzione del litio metallico.
  2. conducibilità Misure
    1. Per conducibilità contro misure di temperatura, rimuovere ciascuna delle cinque bottiglie contenenti Li x Cor (THF) 247 per x = 1, 2, 3, 4 e 5 singolarmente dal vano portaoggetti, avvolgerlo con un ulteriore strato di para-pellicola ed immergerlo all'interno di un contenitore di polistirolo isolante riempito di ghiaccio secco.
      NOTA: I campioni Lises non è venuto in contagire sia con l'umidità o ossigeno mentre fuori il cassetto portaoggetti, perché le bottiglie sono state sigillate.
    2. Raffreddare ogni bottiglia fino a circa 10 ° C mantenendo ogni bottiglia immersa nel ghiaccio secco per circa 30 minuti prima di essere trasferito nuovamente dentro il vano portaoggetti per misure di conducibilità.
    3. Eliminare l'anticamera del cassetto portaoggetti almeno 5 volte per ogni raffreddati campione per assicurarsi che nessuna traccia di acqua di condensa accompagnano la bottiglia di nuovo nel cassetto portaoggetti.
    4. Simile al modo in cui conduttività rispetto misurazioni di temperatura sono stati raccolti per Lises naftalen-based campioni 1, misurare la conduttività del Li x Cor (THF) 247 (x = 1, 2, 3, 4, 5) per un periodo da uno a due ore fino ciascun campione restituiti alla temperatura ambiente. La sonda rimarrà immersa nel campione per tutta la durata della misura di conducibilità.

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Representative Results

Reazione tra varie quantità di litio e miscele di 1,3,5-triphenylbenzene con THF fornisce soluzioni di colore blu blu o profondi verdastro come mostrato in Figura 2. Un colore chiaro indica che il particolare campione di Lises ha una bassa concentrazione di elettroni solvatate. 1,3,5-triphenylbenzene dimostra aumento della conducibilità con aumento della Li: rapporto PAH dal 1 al 2 in 0,5 M soluzione THF (Tabella 1). Tuttavia, il valore di conducibilità diminuisce gradualmente all'aumentare ulteriormente il rapporto molare. Il valore di conducibilità per Li: PAH = 4 è ancora più basso rispetto a Li: PAH = 1. Questo comportamento è simile a quello visto per Lises a base di bifenile e naftalene 1, 2.

eq Mole. di Li per 1 1 2 3 4
Conduttività (mS /centimetro) 1.69 2.04 1.62 1.33

Tabella 1: Le letture di conducibilità (in mS / cm) per Li SES preparato utilizzando Li x TPB (THF) 24,7 (x = 1, 2, 3, 4) Li x TPB (THF) 24,7 significa 0,5 M soluzione di TPB in. THF con diverso rapporto molare Li.

figura 2
Figura 2: Dopo tutto il metallico Li aveva sciolto in TPB (THF) 24,7, i colori del Li x TPB (THF) 24,7 variava da azzurro (per x = 1) al blu molto scuro (per x = 4) Un accendino. colore indica una minore concentrazione di elettroni solvatate nella (THF) 24.7 soluzione TPB. Questo spettacolo fotografiasoluzione sa di Li 3 TPB (THF) 24,7 per x = 3, che ha un colore blu scuro. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Ai Lises Cor-base, quando tutto il metallico Li (per x = 1, 2, 3, 4, 5) era disciolto in Cor (THF) 247, i colori dei Lises variava da verde (per x = 1) verde molto scuro (per x = 5). Poiché la concentrazione di Cor in THF era molto basso (0,05 M), l'espansione del volume della soluzione rispetto alla quantità di Cor sciolto in THF era trascurabile. Il cambiamento di colore della soluzione come litio metallico è stato sciolto in un periodo di 24 ore per formare Li 3.0 Cor (THF) 247 è mostrato nella figura 3. Il colore della soluzione passa da incolore a t = 0 hr alla luce verde e infine a scuro verde quando tutto il litio era dissolto. La temperatura dependeSNO di conducibilità Li x Cor (THF) 247 soluzioni (x = 1, 2, 3, 4 e 5) nell'intervallo di temperatura di 284 K a 298 K è presentato in Figura 4. La conduttività contro profili di temperatura mostra tendenza lineare tra σ e T per tutti i cinque campioni con ciascun profilo avente una pendenza negativa. I dati vengono quindi utilizzati per calcolare sia la conducibilità σ 0, T 0 e α coefficiente di temperatura per Tabella 2.

Figura 3
Figura 3: Le tre fotografie in figura 3 disposti in ordine cronologico mostrano il cambiamento di colore della soluzione per Li 3.0 Cor (THF) 247 come metallico Li viene sciolto in Cor (THF) 247 oltre 24 h I colori variano da incolore quando il. metallico Li viene dapprima aggiunto (al tempo t = 0 ore) al verde chiaro (a < em> t = 1 ora) quando qualche Li è dissolta e, infine, al verde scuro (t = 24 ore), quando tutto il Li è dissolto. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4: Conduttività in funzione della misura della temperatura per Li x Cor (THF) 247 soluzioni (x = 1, 2, 3, 4 e 5) per l'intervallo di temperatura di 284 K a 298 K, che mostrano andamenti lineari per tutti 5 campioni (x = 1, 2, 3, 4 e 5) con pendenze negative. I gradienti negativi indicano che tutti questi campioni mostrano un comportamento metallico. La conducibilità contro dati di temperatura di questi 5 campioni sono utilizzati per calcolare sia la conducibilità σ 0, T 0 e il coefficiente α temperatura per Tabella 2.om / files / ftp_upload / 54366 / 54366fig4large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

X σ 0 (10 2 S / cm) α (10 -2 K -1)
1 1.25 5.36
2 2.77 3.79
3 0.23 21.7
4 1.04 4.44
5 1.45 4.20

Tabella 2: σ 0 e α per Li x Cor (THF) 247 (per x= 1, 2, 3, 4, 5) sulla base dell'equazione (1) e. Σ 0 α sono entrambi ottenuti dalla conducibilità rispetto dati di temperatura della Figura 4. I risultati riportati in tabella indicano una dipendenza 'x' sia σ 0 e α.

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Discussion

Ai Lises basati 1,3,5-triphenylbenzene, un campione con un colore chiaro dimostra che ha una bassa concentrazione di elettroni solvatate. Li x TPB (THF) 24,7 (per x = 1, 2, 3, 4) dimostra un comportamento nella sua conducibilità rispetto x simile a quello visto per Lises base di bifenile e naftalene 1, 2 .C'è un aumento iniziale conducibilità con aumento di Li: rapporto PAH dal 1 al 2 ed una conseguente diminuzione della conducibilità all'aumentare ulteriormente il rapporto molare di 3 e 4, con valore di conducibilità Li 4 TPB (THF) 24,7 addirittura inferiore per Li 1 TPB (THF) 24,7.

Dalla figura 4, si può vedere che il rapporto tra σ e T è lineare per tutti i cinque campioni e ciascun profilo ha una pendenza negativa. Ciò indica che Li x Cor (THF) 247 presenta un comportamento metallico simile a quello sia del bifenile eLises naftalina a base di 1,2. Il rapporto tra σ (mS / cm) e T (K) per Li x Cor (THF) 247 può essere espresso come:

σ (x, T) = σ 0 [1-α (T - T 0)] (1)

dove σ 0 è la conducibilità a T 0 e α è il coefficiente di temperatura e di entrambi i termini sono "x" dipendente. I rispettivi dati per tutti e cinque i profili sono riportati in Tabella 2.

Le basse conducibilità di tutti i cinque campioni, misurata nell'intervallo 10 2 mS / cm anziché mS / cm può essere attribuito al fatto che la Li x Cor (THF) 247 soluzioni sono tutti molto diluite in THF rispetto ai Lises che gli autori hanno studiato precedenza basato su bifenile e naftalene.

Come Lises sono ossigeno e sensibile all'umidità, la most passaggi critici in esperimenti con Lises sono i seguenti. 1) In primo luogo, in modo che entrambi i processi per la preparazione Lises e misure di conducibilità vengono eseguiti completamente all'interno del vano portaoggetti argon-riempita per evitare il contatto delle Lises con umidità e ossigeno. Questo è perché il contatto sia con umidità o ossigeno condurrà ai Lises essere neutralizzati per formare idrossidi e ossidi di Li che sono inutili per solvatante elettroni e dannoso per la conducibilità. 2) In secondo luogo, assicurare che ciascun campione bottiglia delle Lises non è in contatto sia con l'umidità o ossigeno quando viene estratta per il raffreddamento in ghiaccio secco.

Una modifica del metodo esistente per mescolare soluzioni è l'uso di un agitatore magnetico borosilicato misura di vetro rivestita di preparare Lises invece di utilizzare rivestita di teflon (C 2 F 4) n quelli che sono facilmente disponibili sul mercato. L'(C 2 F 4) n reagisce al contatto con incontratoallic Li e Lises per dare C e LiF. Visivamente, l'agitatore avrà diventato nero (carbon è lasciato sul agitatore) e gli ioni F si sono andati nelle Lises come LiF e influenzare le misure di conducibilità. Come carbonio è porosa, ulteriore uso dell'agitatore rivestito ormai carbonio per mescolare Lises futuro introdurrà ferro (dal magnete) nelle soluzioni.

L'utilizzo di agitatori di vetro rivestito su misura per la preparazione Lises invece di agitatori rivestiti in Teflon è molto significativo. Anche se questo può essere trascurato come un processo semplice, bastoni Teflon o agitatori teflonato tornitura nero dopo l'uso di colore nero può facilmente essere scambiato come effettuate sporco dal processo di agitazione, senza rendersi conto che 1) LiF è formato con F viene messo a nudo dal polimero dai lise e mescolato nella soluzione e 2) che il colore nero effettivamente indica un danno irreversibile del rivestimento polimerico trasformando in carbonio. Da qui il metodo esistente di utilizzare st Teflonirrers non funziona per la preparazione Lises.

Risoluzione problemi della tecnica per Lises raffreddamento viene fatto per garantire che ciascun del campione Lises non è congelato solido durante il raffreddamento, ma invece solo raffreddata a circa 10 ° C in ghiaccio secco. In caso contrario, il tempo sarà sprecato in attesa di Lises congelati scongelare nel cassetto portaoggetti. Ciò è ottenuto per tentativi in ​​tempi (ottimale: 30 min) poiché le bottiglie non possono essere sigillate per la misura della temperatura dei Lises fuori il vano portaoggetti.

Ci sono tre limitazioni per gli esperimenti Lises. In primo luogo, come i Lises sono sia sensibile sia umidità e ossigeno, preparazione dei campioni Lises e misure di conducibilità devono essere limitati per l'ambiente argon all'interno di un cassetto portaoggetti. La maggior parte dei dispositivi di misura della conducibilità disponibili sono ingombranti e non può essere contenuto in una cassetto portaoggetti. I produttori di questi dispositivi per scontato che i campioni degli utenti non sono sensibili ad aria. Da qui il mea conducibilitàmisura- descritti in questo documento sono stati realizzati utilizzando un misuratore portatile e sonda. In secondo luogo, come descritto nella sezione del protocollo per l'esperimento di raffreddamento, i campioni sono stati raffreddati a circa 10 ° C prima di essere trasferito indietro all'interno del vano portaoggetti. Questa temperatura è una stima perché le bottiglie non possono essere sigillate all'esterno del cassetto portaoggetti per misurare la temperatura. In terzo luogo, la limitazione di sperimentare l'Cor PAH è che è molto difficile ottenere una grande quantità di Cor in condizioni di laboratorio differenza bifenile o naftalene. Ciò esclude la possibilità di ottenere una quantità maggiore per preparare una soluzione a concentrazione maggiore di Cor in THF.

La futura applicazione delle tecniche descritte qui è quello di studiare le proprietà fisiche ed elettrochimiche di Lises preparato utilizzando altri tipi di IPA in modo da selezionare il candidato ideale come materiale anodico soluzione al litio solvatato elettroni per le batterie ricaricabili Lises temperatura ambiente.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori riconoscono un finanziamento da parte del Ministero della Pubblica Istruzione di Singapore Livello 2 Fondo di ricerca (progetto MOE2013-T2-2-002) per questo progetto.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tetrahydrofuran Anhydrous, ≥99.9%, Inhibitor-free Sigma Aldrich 401757-100ML
Lithium Foil  Alfa Aesar 010769.14
Cond 3310 Conductivity Meter WTW Not Applicable
1,3,5-triphenylbenzene Synthesized from acetophenone according to procedure described in literature
Silicon tetrachloride Sigma Aldrich 215120-100G
acetophenone TCI A0061-500g
Ethanol Merck Millipore 1.00983.2511
Corannulene Synthesized by literature procedure

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References

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