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Chemistry

从分子到材料: 通过卤素键合工程新的离子液体晶体

doi: 10.3791/55636 Published: March 24, 2018

Summary

一种基于卤素结合超分子阴离子的新型液晶聚合成协议 [C n F2 n +1-I···我·报告了nF2 n + 1]

Abstract

在此, 我们证明了一种基于卤素键合 (XB) 的自底向上方法, 可以成功地应用于新型离子液晶 (签订) 的设计中。利用 haloperfluorocarbons 的高特异性和阴离子作为碘的能力, 我们获得了基于 1-烷基-3-咪唑 iodoperfluorocarbons 的超分子配合物, 克服了众所周知的碳氢化合物 (HCs) 与全氟化碳 (不混溶) 之间的相互关系。预算外的高方向性加上 fluorophobic 效应, 使我们能够获得 enantiotropic 液晶, 其中刚性, 非芳香, XB 超分子负离子作为液晶核心。

1-乙基-3-咪唑碘与 iodoperfluorooctane 的 x 射线结构分析表明存在层状结构, 这是众所周知的烷基链分离倾向的表现。这与观察 smectic mesophases 是一致的。此外, 所有报告的配合物融化低于100摄氏度, 大多数是液晶即使在室温下, 尽管起始材料是非液晶的性质。

这里所报道的超分子战略为基团设计提供了新的设计原则, 允许全新的功能材料类。

Introduction

分子间相互作用在测定散装材料的理化性质方面起着非常重要的作用。当新的交互作用变为可用时, 新的结构 (即新函数) 将变为可用。因此, 探索分子间识别过程中的新的、特定的非共价键相互作用可能会在材料科学、催化、药物设计、超分子化学和晶体等不同领域开辟新的视角。工程.对于最近成为控制聚合和自组装现象的常规工具的预算外, 此情况为1,2,3,4,5

根据 IUPAC 定义6: 当有证据表明在一个分子实体中与卤素原子相关的亲区域与另一个或相同的亲核区域之间有净吸引力的相互作用时, 就会发生卤素键,分子实体。在图 1中给出了预算外的示意图, 其中 X 是亲卤素原子 (路易斯酸, 预算外捐助者), Y 是电子密度的捐助者 (刘易斯基数, 预算外受体)。

Figure 1
图 1: 卤素键的示意图表示形式。
亲卤素原子 (预算外-捐赠者) 与各种各样的分子支架 (R) 是共价键相连的, 而预算外受体 (Y) 可以是中性或阴离子的种类。此数字已从引用2中重印。请单击此处查看此图的较大版本.

乍一看, 这个定义似乎处理一些令人费解的方面, 因为卤素原子, 因为它们的高电负性, 通常被认为是高电子密度的地点。然而, 卤素原子作为 electrophiles 的行为是相当普遍的, 并且通过 "σ孔" 概念7的介绍, 优雅地合理化了 Politzer et .。

当卤素原子参与共价键时, 电子重分布发生, 电子密度成为各向异性8,9,10,11。原子的形状变成扁球形, 一个正静电电位区域 (所谓的σ孔) 沿着共价键的延伸发展, 在卤素原子的最外层 (图 2A)。这个正区域被一个负静电电位带所包围, 与共价键的正交。这个模型似乎解决了预算外的 "谜", 因为它解释了共价键结合卤素原子的非共价键相互作用模式, 以及相关的方向偏好, i. e, 与亲核试剂和侧向的线性相互作用与 electrophiles 的互动。

Figure 2
图 2: 卤素原子周围电子密度的各向异性分布.(A) 在共价键的卤素原子周围电子密度各向异性分布的示意图表示以及由此产生的相互作用的模式。(B) 等密度表面的分子静电电位图, 0.001 au 用于 cf 4、cf 3 Cl、cf 3 Br 和 cf 3 i. 颜色范围: 红色, 大于27大卡/摩尔;黄色, 在20和14大卡/摩尔之间;绿色, 在12和6大卡/摩尔之间;蓝色, 阴性此数字已从引用2中进行了修改。请单击此处查看此图的较大版本.

在设计功能超分子材料时, 预算外已迅速从科学的好奇心成长为最有趣的 noncovalent 互动之一12,13,14,15,16, 由于其独特的功能,高方向性、可调谐的交互强度、疏水性和捐助者原子维度1。通过考虑σ孔的聚焦性质, 可以很容易地理解预算外的高方向性, 而交互强度经常与σ孔的大小相关。σ孔的尺寸 (空间范围) 和大小 (最大静电电位 VS、最大) 的值受卤素原子的极化和电负性和电子提取能力的影响。卤素17的邻域中的取代项 (图 2B)。作为一个普遍的趋势, 随着卤素原子变得更加极化, 取代分子变得更加电子化, 卤素σ孔变得更加正面。因此, 对于给定的 R, VS, max增加的顺序 F < Cl < Br < I, 即它增加与卤素原子极化和减少与它的电负。对于给定的卤素, 当 R 的电子提取能力增加时, VS, max变得更加正面。因此, haloperfluorocarbons, 特别是碘 perfluoroalkanes 和芳烃, 可以充当强大的预算外捐助者, 形成特别强的交互作用18,19,20 , 特别是疏水性加合物.

二十世纪九十年代下旬的21中报告了一例 PFC-HC 自组装给 cocrystals 的案例。在氯仿中混合摩尔量为 12-diiodotetrafluoroethane 和nnn'、n '-四甲基乙二胺时, 一个超分子复合体被隔离, 因为白色晶体在室温下稳定在空气中。单晶 x 射线分析表明, 在1维 (1D) 无限链中, 两个组分交替存在, 氮和碘原子之间的相互作用主要负责保持氟双碘的位置。这证明, 氮碘的预算外相互作用足够强, 以克服 PFC 和 HC 化合物之间存在的低亲和力, 并建议可以成功地利用预算外, 作为一个简单的途径引入氟化基团到任何新的超分子材料22,23,24, 包括液晶材料。

氟化取代剂, 事实上, 已成功地纳入液晶分子, 因为良好的稳定性, 由 C F 键, 以及小规模和低极化的氟原子, 这导致非常低的分子间色散相互作用25,26,27。此外, PFC 和 HC 链之间的隔离允许控制超分子液晶相, 增强了液晶材料的 smectic 特性28,29,30。一般理解, 物理/化学性质和 mesomorphism 都受到分子体系结构29,31的强烈影响。因此, 一个适当的分子设计是必不可少的产生新的超分子液晶具有量身定做的性质。这些软材料的基本主题是在一个相当刚性, 类似杆状的基团链接到一个或两个灵活的脂肪族链32,33,34。液晶化合物的传统设计主要是用中性种进行的, 但研究表明, 离子对也可以表现出液晶行为, 在离子液体和液体的界面上产生具有性质的材料。晶体35,36,37

考虑到最近关于预算外液晶的结果24,38,39, 以及阴离子作为预算外受体的特定能力, 它似乎特别有趣的是利用这种非共价键的互动在设计新类型的签订。

1-烷基-3-咪唑碘 (1m) 的各种链长度, 称为离子液体40, 用于合成复合物 (图 3)41,42。请注意, 只有1-12, 轴承一个 C12 烷基链, 展出液体结晶度与 smectic a (Sm a) 相 (晶体 (Cr) 到 SmA 过渡温度 = 27 °c;Sm A 到各向同性液体 (ISO) 转折温度 = 80 °c;Cr ·27· SmA ·80· Iso)43。鎓盐的反应与 iodoperfluorooctane (2-8) 和 iodoperfluorodecane (2-10), 这是众所周知的预算外捐助者44,45

Figure 3
图 3: 合成方案.启动离子液体的化学公式 (1-m)、iodoperfluoroalkanes (2-n) 和相关的预算外-络合物1-m•2-n.请单击此处查看此图的较大版本.

碘化阴离子在 haloperfluoroalkanes44的超分子结构的形成中, 可望作为预算外受体参与。然而, 预测协调的预算外捐助物种的数量和拓扑结构仍然具有挑战性。事实上, 卤素阴离子通常涉及三 XBs46,47,48, 但更高的协调数也被观察到49,50

在这里, 我们描述了一个获得高度氟化的预算外签订的程序和一个详细的程序, 以确定和描述预算外的发生。这里报告的分析序列和用于确定预算外的方法可被视为一般程序, 可用于任何类型的预算外系统的特性。

Protocol

注: 在氮气气氛下, 在烘干玻璃器皿中进行反应。请遵照每种化学品的 MSDS 中所描述的安全措施。

1. 1-烷基3咪唑碘盐的合成 (1 米,图 3)

  1. 在一个三颈, 圆底烧瓶装有回流冷凝器装有氮气入口, 温度计, 磁搅拌棒, 和加热油浴, 溶解1.5 克 (0.018 摩尔, 1 equiv) 新鲜蒸馏的1-甲基咪唑和1。3equiv 的 1-iodoalkane (链长度从 C2 到 C12) 在10毫升的乙腈。
  2. 将反应混合物加热到回流 (75-80 °c 内部温度), 在氮气气氛下过夜, 然后将混合物冷却到室温。
  3. 使用旋转蒸发器将所产生的混合物中的挥发性材料从减少的压力降低到50摄氏度。
    注: 鎓盐具有高度的吸湿和快速吸收空气中的水分。因此, 建议将其存储在干燥中, 直到使用。

2. 1-米· 2-n 的预算外综合体的合成

  1. 过程 1: 从解决方案 (仅在图 1中的1-2 ·2-8 中)
    1. 1-乙基3咪唑碘 (1-2, 兆瓦 = 238.07 克/摩尔) 的溶液, 通过溶解50毫克 (0.21 毫摩尔, 1 equiv) 1-2 在乙腈的0.5 毫升.
    2. perfluorooctyl 碘化物 (2-8, 兆瓦 = 545.96 克/摩尔) 的溶液, 通过溶解229毫克 (0.42 毫摩尔, 2 equiv) 的 2-8 在乙腈的0.5 毫升.
    3. 把两个溶液混合在一个瓶子里, 把瓶子放在一个装满石蜡油的罐子里。
    4. 使溶剂在室温下在石蜡油中慢慢扩散。经过3至7天的时间, 得到了适合 X 射线衍射分析的优质单晶。
  2. 程序 2: 熔体方法学
    注意: 这种方法需要一个空气密封系统, 以减轻 iodoperfluoroalkanes 的波动性。
    1. 将每个 1-烷基-3-咪唑碘 (1m) 与适当的 iodoperfluoroalkanes (2n) 混合在一个有磁性搅拌棒的透明硼硅酸盐玻璃瓶中, 在1:2 摩尔比率中。
    2. 关闭瓶子, 并把它在激烈搅拌下的油浴。
    3. 热量在70摄氏度使用热板15分钟, 然后冷却的混合物, 以室温。

3. 1H 和19F 核磁共振实验

: 1H nmr 和19F 核磁共振谱记录在25°c 上, 其工作于499.78 兆赫, 用于 1 H 和 470.21 mhz, 用于, 并使用 CDCl 19 作为溶剂。TMS 和 CFCl3被用作校准1H 核磁共振和19F 核磁共振的化学位移的内部标准。含有氢和氟核的双 (22、2-trifluoroethyl) 醚作为内部标准, 用于在 cocrystals 中建立1m 和2n 之间的比值。

  1. 核磁共振分析和光谱标定样品的制备
    1. 溶解约10毫克的每一个复杂的1米· 2-n 在0.5 毫升的 CDCl3
    2. 添加1µL 22, 2-trifluoroethyl 醚使用微。
    3. 锁定该示例, 设置在表 1中报告的捕获参数, 并记录1H 和19F nmr 连续光谱, 而不从磁铁中删除核磁共振管, 以便在相同的操作条件下运行。
    4. 校准集成参数, 以便在1H 核磁共振谱中的 CH2O 四重奏 (22, 2-trifluoroethyl) 醚 (δ = 4.3 ppm) 对应于四, 在19F NMR 谱中, CF3三重 (δ = −74.5 ppm) 的 22, 2-trifluoroethyl 醚对应于六。
    5. 计算在19F 核磁共振谱中从2-n (δ = −61.2 ppm) 派生的 CF2I 信号区域的比率) 和从1m ( 1H 核磁共振谱中的δ≈ 4.0 ppm) 派生的 CH3信号区域, 为了计算每个复合体中2-n 和1m 之间的比率。

4. 热级偏振光学显微镜 (POM) 样品的制备

  1. 在两个微盖玻璃 (18 毫米 x 18 毫米) 之间放置一个超分子复合体1-m• 2n 的铲头量, 以制备样品薄层。
  2. 将样品放在两个交叉偏振片之间的热阶段, 并将样品加热熔化。
  3. 将样品提交给反复加热/冷却循环, 以促进相变。晶体和液晶相会与偏振光相互作用, 导致亮度和颜色梯度, 而各向同性相则会出现暗色。

Representative Results

采用差分扫描量热法 (DSC)、POM 和热重分析 (TGA) 以及1H 和19F NMR 来表征所得到的络合物。1-2•2-8 的优质单晶在乙腈的起始组分的1:2 个解答获得了从溶剂的缓慢的蒸发在室温下。

DSC 分析了1-2 和2-8 与不同化学计量比率的混合物, 使我们可以得出鎓盐和 iodoperfluoroalkane 之间的正确协调化学成分为1:2。事实上,图 4A中的1:1 复杂度的 DSC 级数显示了 uncomplexed 鎓盐1-2 (峰值在57摄氏度) 的存在, 而在1:3 复合体中有一个多余的纯2-8 (熔点24°c)。另一方面, 1:2 复合体的级数显示出一个与起始化合物不同的峰值, 表明形成了一种新的纯晶体物种。

TGA 分析证实了这一结果。实际上, 只有在将1-12 和2-10 与1:2 比率混合后, 才获得了一个均匀样本, 它在比 uncomplexed iodoperfluorodecane 高的温度下定量地释放了氟化构造块 (图 5A 5B)。

19F 核磁共振作为一种简单、有效和灵敏的工具, 用于检测预算外加合物的形成。iodoperfluoroalkanes 电子亏碘与 i型-阴离子之间的 XB 强烈影响 CF2I 组 (δ = −60,0 ppm) 的信号, 并引起19F 核磁共振共振的可检测前场移位。测量复杂1-2•2-8 的Δδ值 1.2 ppm, 确认有吸引力的 noncovalent 相互作用涉及卤素原子作为亲物种 (图 6)。此外, 通过记录连续的1H 和19F 的核磁共振分析, 在22、2-trifluoroethyl 醚的存在下, 作为信号集成的内部标准, 预算外受体和捐助者模块之间的1:2 化学计量法进一步证实.

1-2•2-8 的单晶 x 射线分析证实, 预算外驱动了三联超分子复合体的形成, 其中碘化阴离子作为二齿的 XB 受体, 结合了两个含氟链。I···I-距离几乎是相同的 [3.4582 (9) Å和 3.4625 (10) Å], 并且大致对应于27% 缩短关于碘原子和碘化阴离子的 vdW 和鲍林半径的总和, 分别为51。I···的高方向性被证实了。I-角度为 174.1 (1) °和 175.4 (2) °, 分别为 (图 7A)。两个同样居住的构象被观察为鎓阳离子, 近似地说谎在同一个平面和由一个非结晶性双重轴相关。图 7B 显示了离子和中性部件之间的分离, 以及在晶体内的 HC 和 PFC 链之间的分隔 (排除障碍)。

DSC 和 POM 的研究表明, 所有配合物在温度低于100摄氏度 (图 8A) 时熔化, 这是离子液体的典型特征。此外, 它们都显示了 enantiotropic 的液晶行为, 有些在室温下, 带有 SmB 和 SmA 相 (图 8A)。在冷却时, SmA-SmB 转换由风扇背面的特征条纹 (图 8B, 左) 标识。在过渡下的冷却过程中, 条纹消失了。

Figure 4
图 4: 差分扫描量热。DSC thermograms 通过混合1-2 和2-8 在不同的化学计量比率中制备的样品: 1:3 样品 (顶部), 1:2 样品 (中间) 和1:1 样品 (底部)。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5:热分析.DSC 加热/冷却循环 (A) 和 TGA 分析 (B) 上的一个样本, 通过混合1-12 和2-10 在1:2 摩尔比率。此数字已从引用37中进行了修改。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6:19F 核磁共振分析.19F 核磁共振波谱在 CDCl32-8 (顶部) 和相关卤素结合的复杂1-2•2-8 (底部)。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7: x 射线单晶分析.(A) 复杂1-2•2-8 的非对称单元, 显示了三联 superanion 的形成, 其中两个氟化链与中央 I-阴离子相连 (报告了无序阳离子的单个 conformer);(B) 鎓盐1-2 和 iodoperfluorooctane 2-8 沿晶体B轴隔离;(C) 侧面视图, 显示结构的离子和氟碳区域。颜色代码: 灰色, 碳;蓝色, 氮气;洋红, 碘;绿色、氟;白色氢气卤素债券描绘为灰色线。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 8
图 8: 偏振光学显微镜.(A)由热级 POM (蓝色为固态, 红色为 SmB, 橙色为 SmA) 的卤素粘结配合物的 thethermal 过渡的 1-m•2-n 的图表。(B) 为1-12•2-10 从各向同性状态冷却时观察到的 smectic 相的光学纹理。左: SmB 阶段在77°c;右: SmA 相在83°c。刻度条: 100 µm。此数字已从引用37中进行了修改。请单击此处查看此图的较大版本.

光谱宽度 (赫) 扫描号码 脉冲延时 (s)
1h 7 16 1
19f 95 16 1

表 1: 获取参数1H 和19F 核磁共振实验

Discussion

我们报告了一个简单和通用的协议, 以合成的预算外氟化签订, 其中 mesomorphicity 是由超分子阴离子 [CnF2 n + 1-I∙∙∙I∙∙∙InF2 n + 1]-

根据 1-烷基-3-咪唑盐的离子液体可以表现出液态结晶行为, 这是公认的。然而, 无论阴离子, 没有 mesophases 被观察到的化合物与烷基链短于12碳原子。因此, 所报道的材料最引人注目的方面是, 它是外相阴离子的各向异性, 确定中间相形成。事实上, 严格的几何约束的预算外强加的分子间相互作用发生沿扩展的 c-I 键, 在西格玛孔, 与角度接近180°。碘化阴离子作为二齿的预算外受体, 结合两个氟模块, 显示线性排列围绕中央碘化阴离子。此外, 烷基链比等效 HC 链更硬, 并采用扭曲的螺旋结构, 由于13配置 CF29,52之间的排斥, 进一步促进了生成刚性, 棒状 superanions。

这完全同意的观察, 其中包含 iodoperfluorodecane (2-10) 显示的过渡温度高于那些包含 iodoperfluorooctane (2-8), 因为前者是更多的各向异性。此外, 已知趋势4553 fluoroalkanes 打包成层状阶段决定了 SmB 和 SmA 阶段的获取。

本文报道的 superfluorinated 签订首次证明了在鎓盐的基础上签订的应用。多亏了一个精确的超分子设计的基础上的高方向性的预算外和 fluorophobic 效应, 有可能获得 enantiotropic 液晶基于刚性, 非芳香, 预算外超分子 synthon 作为液晶核心。液晶行为与烷基链的长度无关。

这里提出的超分子方法代表了一个有吸引力的平台, 设计新的液晶材料, 并可以为开发先进的功能材料, 如室温离子提供了新的机会导体, photoresponsive 签订, 液晶电解质, 用于能源设备中。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

我们感激地感谢赠款、ERC-2012-StG_20111012 FOLDHALO (307108 号赠款协议) 的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1-Methyl-imidazole  Sigma-Aldrich M50834-500G liquid reagent
1-Iodoethane Sigma-Aldrich I7780-100G liquid reagent
1-Iodobutane Sigma-Aldrich 167304-100G liquid reagent
1-Iodohexane Sigma-Aldrich 238287-100G liquid reagent
1-Iodooctane Sigma-Aldrich 238295-25G liquid reagent
1-Iododecane Sigma-Aldrich 238252-100G liquid reagent
1-Iodododecane Sigma-Aldrich 238260-100G liquid reagent
Acetonitrile Sigma-Aldrich 271004-1L organic solvent
Perfluorooctyl iodide  Apollo Scientific PC6170 fluorinated reagent/halogen-bond donor 
Perfluorodecyl iodide Apollo Scientific PC5970 fluorinated reagent/halogen-bond donor 
Bis(2,2,2-trifluoroethyl) ether  Sigma-Aldrich 287571-5G Internal standard for NMR
Chloroform-d Sigma-Aldrich 151823-100G Solvent for NMR

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从分子到材料: 通过卤素键合工程新的离子液体晶体
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Cavallo, G., Bruce, D. W., Terraneo, G., Resnati, G., Metrangolo, P. From Molecules to Materials: Engineering New Ionic Liquid Crystals Through Halogen Bonding. J. Vis. Exp. (133), e55636, doi:10.3791/55636 (2018).More

Cavallo, G., Bruce, D. W., Terraneo, G., Resnati, G., Metrangolo, P. From Molecules to Materials: Engineering New Ionic Liquid Crystals Through Halogen Bonding. J. Vis. Exp. (133), e55636, doi:10.3791/55636 (2018).

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