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合成与表征三唑功能化混合价硅(I)-硅(III)和双锗烯化合物的研究

期刊:Chemical CommunicationsDOI:10.1039/d4cc06247g

类型a:这篇文档报告了一项原创研究,以下是学术报告:

主要作者与机构及发表信息
本研究的主要作者包括Madhusudan K. Pandey、Zohreh Hendi、Xiaobai Wang、Shahila Muhammed、Arun Kumar、Mukesh K. Singh、Regine Herbst-Irmer、Dietmar Stalke、Pattiyil Parameswaran和Herbert W. Roesky。研究由德国Georg-August-Universität Göttingen的无机化学研究所、英国爱丁堡大学化学学院以及印度国家技术学院卡利卡特分校共同完成。该研究发表在《Chemical Communications》(ChemComm)期刊上,于2025年2月28日在线发布。

学术背景
本研究属于主族元素化学领域,特别是关于重碳类似物(如硅烯和锗烯)的研究。近年来,三齿或双齿酰胺基配体的主族化合物因其优异的催化性能引起了广泛关注。然而,尽管对功能化三唑类化合物的研究已取得显著进展,但将其与主族元素(如硅和锗)结合的研究仍属空白。本研究旨在探索通过三唑功能化的主族化合物合成新型混合价态化合物的可能性,并研究其结构、键合特性及其潜在应用价值。

详细研究流程
本研究主要包括两个主要实验流程:
1. 合成稀有的Si(I)-Si(III)混合价态化合物(1)
- 研究对象:以1-(2-溴苯基)-4-苯基-1H-1,2,3-三唑为起始原料,使用两当量的nBuLi进行锂化处理,随后与[(PhC(tBuN)₂SiCl)]反应。
- 实验步骤:将反应体系冷却至-80°C,在二乙醚中进行锂化处理,随后加入两当量的[(PhC(tBuN)₂SiCl)],最终得到深黄色晶体固体产物1。
- 样品处理:产物通过多种光谱技术(如NMR、质谱)和X射线衍射分析进行表征。

  1. 合成双锗烯化合物(2)
    • 研究对象:同样以1-(2-溴苯基)-4-苯基-1H-1,2,3-三唑为起始原料,使用两当量的nBuLi进行锂化处理,随后与[(PhC(tBuN)₂GeCl)]反应。
    • 实验步骤:在相同条件下进行锂化处理后,加入两当量的[(PhC(tBuN)₂GeCl)],最终得到无色固体产物2。
    • 样品处理:产物通过类似的光谱技术和X射线衍射分析进行表征。

此外,研究还采用了量子化学密度泛函理论(DFT)计算来分析化合物1和2的结构、键合特性及反应性差异。通过自然键轨道(NBO)分析和量子分子中原子理论(QTAIM)进一步探讨了Si-Si键的相互作用。

主要结果
1. 化合物1的结构与性质
- 化合物1是一种稀有的Si(I)-Si(III)混合价态化合物,其Si1−Si2键长为2.4458(8) Å。Si(I)原子呈现扭曲的三角锥几何构型,而Si(III)原子则呈现四面体配位结构。
- 29Si NMR数据显示,Si(I)和Si(III)原子分别在46.52 ppm和-94.22 ppm处出现单峰信号,表明Si(III)片段具有较强的电子供体性质。
- DFT计算表明,Si(I)的孤对电子轨道与Si-N σ*轨道之间的强相互作用导致了化合物1的稳定性。

  1. 化合物2的结构与性质

    • 化合物2是一种双锗烯化合物,其Ge原子呈现扭曲的三角锥几何构型。Ge1···Ge2的距离为4.205 Å,表明不存在显著的Ge-Ge键合相互作用。
    • Ge1···N6的距离为3.355 Å,提示该化合物可能作为螯合多齿配体在配位化学中具有潜在应用价值。
  2. 理论计算结果

    • DFT计算显示,化合物1的形成是放热过程,而化合物2的形成是吸热过程。这解释了为何无法分离出预期的双硅烯化合物1’,而总是得到混合价态化合物1。
    • NBO分析表明,Si1和Si2之间存在强烈的轨道相互作用,Wiberg键指数(WBI)为0.83,进一步证实了Si-Si键的存在。

结论与意义
本研究成功合成了两种新型化合物:一种稀有的Si(I)-Si(III)混合价态化合物(1)和一种双锗烯化合物(2)。这些化合物不仅为理解主族元素化学中的混合价态键合提供了新视角,还展示了其在配位化学中的潜在应用价值。化合物2的长原子间距离表明其可能作为多功能多齿配体,用于均相催化、分子开关、逻辑门和传感器等领域。

研究亮点
1. 首次合成了稀有的Si(I)-Si(III)混合价态化合物(1),填补了相关领域的研究空白。
2. 双锗烯化合物(2)的结构特性表明其在配位化学中具有潜在的应用前景。
3. 研究采用DFT、NBO和QTAIM等多种理论方法,深入揭示了化合物的键合机制和反应性差异。

其他有价值内容
研究数据(如NMR、质谱和DFT计算数据)已包含在电子补充信息(ESI)中,晶体学数据已提交至剑桥晶体学数据中心(CCDC),编号为2376682(1)和2376683(2)。

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