POMSimulator: A method for understanding the Multi-Equilibria and Self-Assembly Processes of Polyoxometalates

Abstract

En aquesta tesi hem desenvolupat POMSimulator, una novetat computacional mètode que prediu l'especiació aquosa d'oxocúmuls moleculars així com el mecanisme de formació. En el nostre primer treball nosaltres va provar aquesta metodologia amb un sistema model: l'octamolibdat, [Mo8O26]4−.1 Hem informat dels diagrames d'especiació dels molibdats amb alta precisió, i vam proposar un mecanisme de reacció tenint en compte els equilibris àcid-base. A continuació, hem ampliat aquesta metodologia a tots els isopolioxomolibdats i -tungstats.2 Hem descrit el formació de cúmuls més grans com: [H32Mo36O128]8−, [W12O42]12−, [W12O40]8−, i [W10O32]4−. A més, hem introduït diagrames de fase en la nostra metodologia per obtenir una millor visió general de l'especiació a diferents concentracions. Recentment, hem aplicat POMSimulator als polioxovanadats, -niobats i tantlats.3 Hem demostrat que es podrien calcular constants de formació precises per als tres sistemes metall-oxo. Vam proposar un intermedi vanadat, [V5O14]3−, que podria estar implicada en la interconversió del decavanadat, [V10O28]6−, i els metavanadats, [VnO3n]n− (n=4,5,6). A més, vam informar del diagrama d'especiació dels niòbats, inclòs el primordial clústers com [H9Nb24O72]15− i [Nb7O22]9−. En conxiii trast, no hem trobat cap evidència de la formació dels anàlegs de tàntal. No obstant això, vam observar la formació del decatantalat, [Ta10O28]6−, tot i que encara no s'ha sintetitzat a causa de la seva poca solubilitat en aigua. En general, creiem que el nostre mètode ho pot fer trobar una sinergia molt prometedora amb la química experimental. xiv

En esta tesis hemos desarrollado POMSimulator, un novedoso computacional método que predice la especiación acuosa de oxoclusters moleculares así como el mecanismo de formación. En nuestro primer trabajo nos probó esta metodología con un sistema modelo: el octamolibdato, [Mo8O26]4−.1 Reportamos los diagramas de especiación de molibdatos con alta precisión, y propusimos un mecanismo de reacción considerando los equilibrios ácido-base. A continuación, ampliamos esta metodología a todos los isopolioxomolibdatos y -tungstatos.2 Describimos el formación de cúmulos más grandes como: [H32Mo36O128]8−, [W12O42]12−, [W12O40]8-, y [W10O32]4-. Además, introdujimos los diagramas de fase. en nuestra metodología para obtener una mejor visión general de la especiación a diferentes concentraciones. Recientemente, hemos aplicado POMSimulator polioxovanadatos, -niobatos y tantalatos.3 Mostramos que las constantes de formación precisas podrían calcularse para los tres sistemas metal-oxo. Propusimos un intermedio de vanadato, [V5O14]3−, que podría estar involucrado en la interconversión del decavanadato, [V10O28]6−, y los metavanadatos, [VnO3n]n− (n=4,5,6). Es más, informamos el diagrama de especiación de los niobatos, incluido el primordial grupos como [H9Nb24O72]15- y [Nb7O22]9-. En conxiii contraste, no encontramos evidencia de la formación de los análogos de tantalio. No obstante, observamos la formación del decatantalato, [Ta10O28]6−, aunque aún no ha sido sintetizado debido a su poca solubilidad en agua. En general, creemos que nuestro método puede encontrar una sinergia muy prometedora con la química experimental. xiv

In this thesis we have developed POMSimulator, a novel computational method that predicts the aqueous speciation of molecular oxoclusters as well as the formation mechanism. In our first work we tested this methodology with a model system: the octamolybdate, [Mo8O26]4−.1 We reported the speciation diagrams of molybdates with high accuracy, and we proposed a reaction mechanism considering the acid-base balance. Next, we extended this methodology to all the isopolyoxomolybdates and -tungstates.2 We described the formation of larger clusters such as: [H32Mo36O128]8−, [W12O42]12−, [W12O40]8−, and [W10O32]4−. Besides, we introduced phase diagrams in our methodology to obtain a better overview of the speciation at different concentrations. Recently, we have applied POMSimulator to polyoxovanadates, -niobates, and tantalates.3 We showed that accurate formation constants could be computed for the three metal-oxo systems. We proposed a vanadate intermediate, [V5O14]3−, which could be involved in the interconversion of the decavanadate, [V10O28]6−, and the metavanadates, [VnO3n]n− (n=4,5,6). Furthermore, we reported the speciation diagram of niobates including paramount clusters such as [H9Nb24O72]15− and [Nb7O22]9−. in conxiii trast, we found no evidence of the formation of the tantalum analogues. Nevertheless, we observed the formation of the decatantalate, [Ta10O28]6−, even though it has not been synthesized yet due to its poor solubility in water. Overall, we believe that our method can find a very promising synergy with experimental chemistry. xiv