Synthese von Tris(dipivaloylmethanato)terbium(III)-p-dimethylaminopyridin
[Tb(thd)₃(dmap), Tb(TMHD)₃(dmap), (p-N,N'-dimethylaminopyridino)-tris(2,2,6,6-tetramethylheptan-3,5-dionato)terbium(III)]

Hier wird die Darstellung eines grün tribolumineszierenden Terbium(III)-Komplexes beschrieben, welcher selbst beim Schütteln im Probeglas eine gut erkennbare Tribolumineszenz aufweist.
β-Diketo-Lanthanid^III-Komplexe bilden eine besondere Klasse der Lanthanid-Komplexe, da sie historisch verwendet wurden um einzelne Lanthanoide voneinander zu trennen. Einige von ihnen haben hohe Lumineszenzquantenausbeuten und weisen eine Tribolumineszenz auf. Der bekannteste Vertreter dabei ist das Triethylammonium-tetrakis(dibenzoylmethanato)europat(III), welches eine rote Tribolumineszenz aufweist. Jedoch lassen sich auch andere Komplexe herstellen, die bei mechanischen Belastungen Licht anderer Wellenlänge emittieren. Der Europium-Komplex hat Koordinationszahl 8 und damit ist das Zentralteilchen gut abgeschirmt. Es sind auch Ln(III)-Komplexe mit Koordinationszahl = 6 bekannt, wobei dieses nur bei stark abschirmenden Ligangen (längere β-Diketone mit mehreren Tolyl-Resten o. ä.) auftritt, da die siebte Koordinationsstelle dann in der Regel durch ein Lösungsmittelmolekül besetzt wird, wie es auch hier der Fall ist. Dabei wird zuerst kristallwasserhaltiges Terbium(III) mit 2,2,6,6-Tetramethylheptan-3,5-dion (thdH) umgesetzt wobei das entstehende Tb(thd)₃(H₂O) anschließend mit 4-N,N-Dimethylaminopyridin (4-DMAP, DMAP) zur Zielverbindung umgesetzt wird.

Die Literaturvorschriften wurden modifiziert, da sie sich bei Vorversuchen oder durch Überlegungen als unvorteilhaft oder sogar nutzlos erwiesen haben. Die so entwickelte Synthese lässt sich im Prinzip auf alle leichtlöslichen Ln(III)-Salze anwenden um zu den Ln(thd)₃(dmap)-Komplexen zu gelangen. Allerdings tribolumineszieren nur die Komplexe mit Ln = Eu (Tribolumineszenz ist mit dieser Syntheseroute nicht feststellbar gewesen), Tb, Dy oder Sm.


Geräte:

diverse Bechergläser verschiedener Größen, Rundkolben, Refluxanlage, Möglichkeit zur Vakuumfiltration, Kieselgur, optional Rotationsverdampfer


Chemikalien:

Terbium(III)-nitrat Hexahydrat (O, Xn)


2,2,6,6-Tetramethylheptan-3,5-dion (Xn)


Natriummethoxid (C, F, Xi)


Methanol (F, T, Xn)


n-Hexan (F, N, Xi, Xn)


4-Dimethylaminopyridin (T)


Ethanol (F, Xi)


Acetonitril (F, Xi)


____________

(Aqua)-tris(2,2,6,6-tetramethylheptan-3,5-dion)terbium(III) (Xn)


(p-N,N-dimethylaminopyridino)-tris(2,2,6,6-tetramethylheptan-3,5-dionato)terbium(III) (?)




Hinweis: Die toxischen Eigenschaften des Produktes sind nicht untersucht. Da aber aufgrund des Schwermetallions und des durch Wasserüberschuss in vivo leicht hydrolysierbaren 4-DMAP-Restes von einer gesundheitsschädlichen Wirkung auf den Organismus auszugehen ist, sollte das Produkt mit gewisser Vorsicht gehandhabt werden.

Durchführung:

(Aqua)-tris(2,2,6,6-tetramethylheptan-3,5-dion)terbium(III):

5,52 g thdH werden in 7,5 mL Methanol gelöst und dazu wird eine Lösung aus 1,62 g Natriummethoxid in 7,5 mL Methanol gegeben. Zu der klaren Lösung werden 4,53 g Terbiumnitrat-Hexahydrat in 10 mL heißem Methanol in kleinen Portionen zugetropft wobei sich bereits nach kurzer Zeit eine Trübung feststellen lässt und nach etwa der Hälfte der Zugabe ein weißer Niederschlag. Nach vollständiger Zugabe wird noch 10 Minuten gerührt und die Suspension anschließend in 100 mL Wasser gegeben, wobei das Produkt in Form harter weißer Kristalle ausfällt. Die Kristalle werden abgesaugt und im Vakuum getrocknet (Rohausbeute: 6,0 g, 82%). Anschließend werden die Kristalle in 10 mL Hexan erhitzt und vom Wasser und unlöslichen Bestandteilen abgetrennt. Das Lösungsmittel wird abgezogen und das Produkt im Vakuum getrocknet.

Ausbeute: 4,3 g (60 % d.Th., wobei zu erwähnen ist, dass durch versehentliches Verschütten der Lösung ein nicht geringer Teil verloren ging)


Tris(dipivaloylmethanato)terbium(III)-p-dimethylaminopyridin:

360 mg Tb(thd)₃(H₂O) werden in 100 mL Ethanol gelöst, dazu eine Lösung aus 60 mg 4-DMAP in 10 mL Ethanol gegeben und anschließend für 2,5 Stunden refluxiert. Nach dem Abkühlen wird über Kieselgur filtriert und mit ein wenig Ethanol nachgewaschen. Die Lösung wird im Rotationsverdampfer unter vermindertem Druck bis zur Trockne eingedampft und der verbleibende Feststoff aus Acetonitril umkristallisiert.

Ausbeute: nicht bestimmt, Produkt nicht isoliert.


Alternative:

0,5 g Tb(thd)₃(H₂O) werden unter Erwärmen in 10 mL Hexan gelöst und unter Rühren wird eine Lösung aus 171 mg 4-DMAP in 5 mL heißem Hexan gegeben. Die Lösung wird kurz zum Sieden erhitzt, mit einem Plastik(!)-Stopfen verschlossen und 1 Stunde bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wird das Hexan abgezogen und das Produkt im Vakuum getrocknet. Eine Rekristallisierung aus Acetonitril ist möglich, aber nicht nötig um die Tribolumineszenz zu beobachten.

Ausbeute: 660 mg (nahezu quantitativ)


Entsorgung:

Die Lösungsmittel werden wenn möglich recycelt oder dem halogenfreien Lösungsmittelabfall zugeführt. Die Komplexe werden dem Schwermetallabfall zugeführt oder aufbewahrt.


Erklärung:

Das thdH wird durch das Natriummethoxid deprotoniert und es bildet sich das entsprechende Natriumenolat, welches einer Keto-Enol-Tautomerie unterliegt und eine koordinative Bindungen zum Terbium ausbildet. Formal könnte es als einfaches Salz von Terbium(III)-ionen und dem Enolat aufgefasst werden, was jedoch nicht die außergewöhnlichen Eigenschaften erklären würde. Da der Ligand das Zentralteilcheilchen nicht sonderlich abschirmt findet sich noch ein Wassermolekül als Kristallwasser im Komplex.
Im zweiten Schritt wird dieses durch einen besseren Liganden - 4-DMAP - ersetzt wobei sich letztendlich das Tb(thd)₃(dmap) bildet.



Bilder:


Methanolische Enolat-Lösung


Getrübte Lösung nach Terbium(III)-Zugabe


Erstes ausfallendes Produkt


Abgesaugtes Tb(thd)₃(H₂O)


Fertiges Tb(thd)₃(H₂O)


Fluoreszenz des Tb(thd)₃(H₂O) unter kurzwelligem UV-Licht (Bild von K₂O₂)


Siedende Lösung des DMAP mit dem Terbiumkomplex


Verbleibende Trübung


Ausfallendes Tb(thd)₃(dmap)


Erkennbares Produkt als weißer Niederschlag


Ausfallendes Tb(thd)₃(dmap) beim alternativen Syntheseweg


Produkt


Nach Umkristallisieren aus Acetonitril


Tribolumineszenz des Tb(thd)₃(dmap)


Tribolumineszenz des Tb(thd)₃(dmap)


Tribolumineszenz von auf selbe Art und Weise hergestelltes Dy(thd)₃(dmap)


An der Stelle meinen Dank an Kaliumperoxid für die Zusammenarbeit!