CN102659851B

CN102659851B - 多金属氧酸盐-倍半硅氧烷杂化化合物及制备方法

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Publication number: CN102659851B
Application number: CN201210135689.XA
Authority: CN
Inventors: 王维; 胡敏标; 侯占要; 肖雨
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102659851A

Abstract

本发明首次通过共价键的方式将含钨多金属氧酸盐和T8型倍半硅氧烷进行杂化连接，该制备方法简便易行，反应过程易于控制，提纯简单，产率较高。该杂化分子保留了多金属氧酸盐和倍半硅氧烷本身所具有的物理化学性质。同时由于两个纳米尺度分子的结合，也呈现出新的物理化学性质。该杂化分子在催化剂、新材料、医药、表面活性剂等方面具有潜在的应用价值。

Description

多金属氧酸盐-倍半硅氧烷杂化化合物及制备方法

技术领域

本发明涉及多金属氧酸盐的杂化化合物的制备，特别是含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物及其制备方法。

背景技术

多金属氧酸盐(Polyoxometalates，POMs，简称多酸)，是由前过渡金属原子通过氧配位桥连接而成的一类单分子簇合物，其中以钒、钼、钨等元素为主要代表。多金属氧酸盐的尺寸在0.5nm-5nm左右，具有丰富的化学成分和多样的拓扑结构，并在催化、医药以及光、电、磁功能材料等方面均展现出优异的性质。随着现代合成技术和研究手段的发展，新型结构的多金属氧酸盐层出不穷，新的性质也不断被发现(参见“杂多化合物概论”，牛景杨、王敬平著，河南大学出版社)。多金属杨酸盐作为催化剂在工业催化剂开发的历史进程中写下了光辉的一页。作为有效的催化剂，多金属氧酸盐适用于多种类型的有机反应，对烯(炔)水合、酯化、酯交换、酯(羧酸)分解、烷基化、脱烷基化、乙酸的酸解、聚合、缩合及环氧化物的醚化等类型反应显示有效的催化性能。有关多金属氧酸盐用于催化领域的新工艺的开发，大大的减少或克服传统工艺所存在的环境污染和设备腐蚀问题，明显提高产品质量和收率，具有显著的经济效益和社会效益(参见“多酸化学导论”，王恩波、胡长文、许林著，化学工业出版社)。

笼型倍半硅氧烷(POSS)是一类结构简式为(RSiO_1.5)n的硅氧烷化合物，R可以为氢原子、烷基、芳基、烯基等有机基团。POSS本身是一类含有无机/有机混合结构的杂化分子，核心是由Si-O键组成笼型无机框架，有机部分是笼型框架上顶点硅连接伸向空间的取代基。POSS包含多面体的硅氧纳米结构骨架，三围尺寸为1-3nm，分子量可高达1000，分子呈笼形结构。结构同二氧化硅类似，都由硅氧多元环形成的立方多面体组成，其中以笼型倍半硅氧烷中的六面体倍半硅氧烷(又称T8)最为典型。T8结构对称性非常强，六面体的每个面都由硅氧八元环组成，和二氧化硅类中的沸石或分子筛的结构最为相近，是目前研究最多的一类笼型倍半硅氧烷。由于POSS具有许多优异性能，如低的介电常数，高的耐热性，高机械强度、优异的光学性能和多种功能性，被认为是本世纪最有发展潜力的材料之一，有望用于多种应用领域，因此成为近年来的材料界的研究热点。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供两种合成含钨多金属氧酸盐和T8型倍半硅氧烷杂化化合物的制备方法，该制备方法简便易行，提纯简单，产率较高。

本发明的技术方案：

两种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物，其特征在于化学式分别为：[(n-Bu)₄N]_(6-x)H_x[(P₂W₁₅V₃O₅₉)(OCH₂)₃CNHCOCH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉Si₈O₁₂)]，[(n-Bu)₄N]_(6-x)H_x{(P₂W₁₇O₆₁)[SiC₆H₄CH₂(C₂HN₃)CH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉Si₈O₁₂)]₂O}，X＝0，1。两种所述含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物的制备方法，合成步骤如下：

第一类杂化化合物：

1)T8型羧基倍半硅氧烷的合成

氩气保护下依次将T8型氨基倍半硅氧烷，琥珀酸酐，二氯甲烷，三乙胺加入到100ml烧瓶中，搅拌下缓慢升温到45℃，回流8-12h。反应结束后依次使用PH＝2的盐酸水溶液、饱和氯化钠水溶液和去离子水洗反应液各两次，有机相随后用无水硫酸钠干燥过夜，之后对其进行抽滤，取滤液浓缩旋干，真空干燥后得到白色固体。

2)T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷的合成

氩气保护下依次将T8型羧基倍半硅氧烷，2-乙氧基-1-乙氧碳酰基-1，2-二氢喹啉，三羟甲基氨基甲烷，等量的乙腈和二氯甲烷加入到100ml烧瓶中，搅拌下缓慢升温到85℃，回流24-30h。将澄清反应液置于旋转蒸发仪蒸出二氯甲烷，T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷即从体系中析出，将析出的固体抽滤，真空干燥后得到产品。

3)含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物的合成

使用100ml两口瓶，氩气保护下依次加入T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷，含钨多金属氧酸盐[(n-Bu)₄N]₆H₃P₂W₁₅V₃O₆₂，N，N-二甲基甲酰胺，二氯甲烷。70摄氏度反应5-6天。反应结束后将体系进行浓缩，沉于乙醚，得到黄色粉末产品。

所述T8型氨基倍半硅氧烷、琥珀酸酐、三乙胺的摩尔比为1∶1.2∶1.2，T8型氨基倍半硅氧烷于二氯甲烷溶剂的用量比为1gT8型氨基倍半硅氧烷/50-100ml二氯甲烷溶剂。T8型羧基倍半硅氧烷、2-乙氧基-1-乙氧碳酰基-1，2-二氢喹啉(EEDQ)和三羟甲基氨基甲烷的摩尔比为1∶1.2-2∶1.2-2，T8型羧基倍半硅氧烷与乙腈和二氯甲烷溶剂的用量比为1gT8型羧基倍半硅氧烷/50-100ml乙腈溶剂/50-100ml二氯甲烷溶剂。

第二类杂化化合物：

1)T8型炔基倍半硅氧烷的合成

氩气保护下依次将戊炔酸、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)、二氯甲烷加入烧瓶中，搅拌下冰水浴反应2.5h后，缓慢滴加T8型氨基倍半硅氧烷的二氯甲烷溶液，缓慢升温至室温，反应24h，反应结束后，用去离子水洗涤3次后，有机相经旋蒸浓缩后沉于水∶甲醇＝1∶4的混合溶剂中，抽滤得白色固体。

2)含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物的合成

依次将T8型炔基倍半硅氧烷、有机改性后的含钨多金属氧酸盐[(n-Bu)₄N]₆[(P₂W₁₇O₆₁)(SiC₆H₄CH₂N₃)₂O]、N，N-二甲基甲酰胺加入50mL茄形支口烧瓶中，抽气除氧20min。然后在氩气保护下依次加入五水合硫酸铜、抗坏血酸，50℃下搅拌反应48h。反应结束后，离心除去沉淀，液体浓缩后，沉于乙醚中，抽滤得到白色固体。

所述T8型氨基倍半硅氧烷、戊炔酸、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1∶1.2∶1.8∶0.4，T8型氨基倍半硅氧烷于二氯甲烷溶剂的用量比为1gT8型氨基倍半硅氧烷/20-50mL二氯甲烷溶剂。

上述T8型氨基倍半硅氧烷、T8型羧基倍半硅氧烷、T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷、T8型炔基倍半硅氧烷结构式分别为：

T8型氨基倍半硅氧烷T8型羧基倍半硅氧烷

T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷T8型炔基倍半硅氧烷

本发明的优点是：

第一类杂化化合物以T8型氨基倍半硅氧烷为起始原料，通过三步合成了含钨多金属氧酸盐与T8型倍半硅氧烷的杂化分子：1)利用T8型氨基倍半硅氧烷与琥珀酸酐反应得到T8型羧基倍半硅氧烷；2)T8型羧基倍半硅氧烷与三羟甲基氨基甲烷的酰胺化反应得到T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷酰胺；3)再与含钨多金属氧酸盐反应得到杂化化合物。

第二类杂化化合物以T8型氨基倍半硅氧烷为起始原料，通过两步合成了含钨多金属氧酸盐与T8型倍半硅氧烷的杂化分子：1)利用T8型氨基倍半硅氧烷与戊炔酸通过酰胺化反应得到T8型炔基倍半硅氧烷；2)T8型炔基倍半硅氧烷与有机改性的多金属盐酸盐通过点击反应得到杂化化合物。

本发明首次通过共价键的方式将含钨多金属氧酸盐和T8型倍半硅氧烷杂化，该制备方法简便易行，反应过程易于控制，提纯简单。

附图说明

图1为T8型羧基倍半硅氧烷的¹HNMR谱图。

图2为T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷的¹HNMR谱图。

图3为第一类杂化化合物的¹HNMR谱图。

图4为第一类杂化化合物的ESI-MS谱图

图5为T8型炔基倍半硅氧烷的¹HNMR谱图。

图6为第二类杂化化合物的¹HNMR谱图。

图7为第二类杂化化合物的ESI-MS谱图。

具体实施方式

实施例1：

1)T8型羧基倍半硅氧烷的合成

氩气保护下依次将1.00gT8型氨基倍半硅氧烷，0.14g琥珀酸酐，0.2ml三乙胺，50ml二氯甲烷加入到100ml的单口瓶中，搅拌下缓慢升温到45℃，回流24h。反应结束后依次使用PH＝2的盐酸水溶液、饱和氯化钠水溶液和去离子水洗反应液各两次，有机相随后用无水硫酸钠干燥过夜，之后对其进行抽滤，取滤液浓缩旋干，真空干燥后得到白色固体0.96，产率86％。

2)T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷的合成

氩气保护下依次将0.50gT8型羧基倍半硅氧烷，0.17g2-乙氧基-1-乙氧碳酰基-1，2-二氢喹啉，30ml乙腈和30ml二氯甲烷加入到的100ml烧瓶中，搅拌下缓慢升温到85℃，回流24h。将澄清反应液置于旋转蒸发仪蒸出二氯甲烷，T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷即从体系中析出，将析出的固体抽滤，真空干燥后得到白色产品0.40g，产率72％。

3)杂化分子的合成

使用100ml两口瓶，氩气保护下依次加入0.25gT8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷，1.00g含钨多金属氧酸盐[(n-Bu)₄N]₅H₄P₂W₁₅V₃O₆₂，25mlN，N-二甲基甲酰胺，25ml二氯甲烷。70摄氏度反应6天。反应结束后将体系进行浓缩，沉于乙醚，得到黄色粉末产品1.10g，产率92％。

实施例1合成含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物[(n-Bu)₄N]_(6-x)H_x[(P₂W₁₅V₃O₅₉)(OCH₂)₃CNHCOCH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉Si₈O₁₂)]，X＝0，1的合成路线如下：

实施例2：

1)T8型炔基倍半硅氧烷的合成

氩气保护下依次将0.53g戊炔酸、1.52g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、0.13g4-二甲氨基吡啶、100mL二氯甲烷加入250mL烧瓶中，搅拌下冰水浴反应2.5h后，缓慢滴加4gT8型氨基倍半硅氧烷的二氯甲烷溶液5OmL，缓慢升温至室温，反应24h，反应结束后，用去离子水洗涤3次后，有机相经旋蒸浓缩后沉于水∶甲醇＝1∶4的混合溶剂中，抽滤后滤饼真空干燥得白色固体3.85g，产率88％。

2)含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物的合成

依次将0.14gT8型炔基倍半硅氧烷、0.28g有机改性后的含钨多金属氧酸盐[(n-Bu)₄N]₆[(P₂W₁₇O₆₁)(SiC₆H₄CH₂N₃)₂O]、25mLN，N-二甲基甲酰胺加入到50ml茄形支口烧瓶中，抽气除氧20min。然后在氩气保护下依次加入0.026g五水合硫酸铜、0.083g抗坏血酸，50℃下搅拌反应48h。反应结束后，离心除去沉淀，溶液浓缩并沉于乙醚中，抽滤得到白色固体0.23g，产率62％。

实施例2合成含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物[(n-Bu)₄N]_(6-x)H_x{(P₂W₁₇O₆₁)[SiC₆H₄CH₂(C₂HN₃)CH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉Si₈O₁₂)]₂O}X＝0，1的合成路线如下：

Claims

1.两种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化化合物，其特征在于化学式为：

[(n-Bu)₄N]_(6-x)H_x[(P₂W₁₅V₃O₅₉)(OCH₂)₃CNHCOCH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉S_i8O₁₂)]，

[(n-Bu)₄N]_(6-x)H_x{(P₂W₁₇O₆₁)[SiC₆H₄CH₂(C₂HN₃)CH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉Si₈O₁₂)]₂O}，其中，X为0或1。

2.根据权利要求1所述，第一种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷，即特征化学式为[(n-Bu)₄N]_(6-x)H_x[(P₂W₁₅V₃O₅₉)(OCH₂)₃CNHCOCH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉S_i8O₁₂)]的杂化化合物，其中，X为0或1，特征合成步骤如下：

1)氩气保护下依次将T8型氨基倍半硅氧烷、琥珀酸酐、二氯甲烷、三乙胺加入到圆底烧瓶中，搅拌下缓慢加热，回流，反应结束后依次以pH＝2的盐酸水溶液、饱和氯化钠溶液和去离子水洗涤反应液各两次，收集有机相以无水硫酸钠干燥，抽滤后将滤液旋干，进一步真空干燥后得白色固体，命名其为T8型羧基倍半硅氧烷；

2)氩气保护下依次将T8型羧基倍半硅氧烷、2-乙氧基-1-乙氧羰基-1，2-二氢喹啉、三羟甲基氨基甲烷、等量的乙腈和二氯甲烷加入到圆底烧瓶，搅拌下缓慢升温至回流，反应结束后将反应液中的二氯甲烷旋蒸除去，抽滤收集从反应体系中析出的白色固体，真空干燥后得白色固体，其名称为T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷；

3)使用两口瓶，氩气保护下依次加入T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷、含钨多金属氧酸盐[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_X(P₂W₁₅V₃O₆₂)，其中X为0或1、N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷，70℃反应数天，反应结束后将体系浓缩，用乙醚沉淀，得黄色粉末产品，为第一种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化物，特征化学式为[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_c[(P₂W₁₅V₃O₅₉)(OCH₂)₃CNHCOCH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉S_i8O₁₂)]，其中，X为0或1；

以上所述T8型氨基倍半硅氧烷、T8型羧基倍半硅氧烷、T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷及第一种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷的结构式如下：

3.根据权利要求2所述，第一种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化物的制备方法，其特征如下：

所述T8型氨基倍半硅氧烷、琥珀酸酐、三乙胺的摩尔比为1∶1.2∶1.2，T8型氨基倍半硅氧烷与二氯甲烷的用量比为1gT8型氨基倍半硅氧烷/50～100mL二氯甲烷；T8型羧基倍半硅氧烷、2-乙氧基-1-乙氧羰基-1，2-二氢喹啉(EEDQ)和三羟甲基氨基甲烷的摩尔比为1∶1.2～2∶1.2～2，T8型羧基倍半硅氧烷与乙腈和二氯甲烷的用量比为1gT8型羧基倍半硅氧烷/50～100mL乙腈/50～100mL二氯甲烷；所述T8型N-三羟甲基甲基倍半硅氧烷、[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_X(P₂W₁₅V₃O₆₂)的摩尔比为1.1～1.3∶1；[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_X(P₂W₁₅V₃O₆₂)与N，N-二甲基甲酰胺和二氯甲烷的用量比为1g[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_X(P₂W₁₅V₃O₆₂)，/20～40mLN，N-二甲基甲酰胺/20～40mL二氯甲烷，其中X为0或1。

4.根据权利要求1所述，第二种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷，即特征化学式为[(n-Bu)₄N](_6-x)H_x{(P₂W₁₇O₆₁)[SiC₆H₄CH₂(C₂HN₃)CH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉Si₈O₁₂)]₂O}的杂化化合物，其中，X为0或1，特征合成步骤如下_∶

1)氩气保护下依次将戊炔酸、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)、二氯甲烷加入圆底烧瓶中，冰水浴下搅拌反应，然后缓慢滴入T8型氨基倍半硅氧烷的二氯甲烷溶液，缓慢升温至室温继续反应，反应结束后以去离子水洗涤三次，有机相旋蒸浓缩后沉于水∶甲醇＝1∶4的混合溶剂中，抽滤得白色固体，为T8型炔基倍半硅氧烷；

2)依次将T8型炔基倍半硅氧烷、含钨多金属氧酸盐[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_X[(P₂W₁₇O₆₁)(SiC₆H₄CH₂N₃)₂O]，其中X为0或1、N，N-二甲基甲酰胺依次加入茄形支口烧瓶中，抽气除氧20min后，在氩气保护下加入五水合硫酸铜、抗坏血酸，加热搅拌下反应，反应结束后，离心除去沉淀，液体浓缩后，用乙醚进行沉淀，抽滤得白色固体，为第二种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化物，特征化学式为[(n-Bu)₄N]_(6-x)H_x{(P₂W₁₇O₆₁)[SiC₆H₄CH₂(C₂HN₃)CH₂CH₂CONH(C₃₁H₆₉Si₈O₁₂)]₂O}其中，X为0或1；

以上所述T8型炔基倍半硅氧烷、第二种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化物的结构式如下：

5.根据权利要求4所述，第二种含钨多金属氧酸盐的T8型倍半硅氧烷杂化物的制备方法，其特征在于：

所述T8型氨基倍半硅氧烷、戊炔酸、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1∶1.2∶1.8∶0.4，T8型氨基倍半硅氧烷与二氯甲烷的用量比为1gT8型倍半硅氧烷/20～50mL二氯甲烷；所述[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_X[(P₂W₁₇O₆₁)(SiC₆H₄CH₂N₃)₂O]，其中X为0或1、T8型炔基倍半硅氧烷、五水合硫酸铜、抗坏血酸的摩尔比为1∶2.2～3∶2.2∶0.4，[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_X[(P₂W₁₇O₆₁)(SiC₆H₄CH₂N₃)₂O]，与N，N-二甲基甲酰胺的用量比为1g[(n-Bu)₄N]_(6-X)H_X[(P₂W₁₇O₆₁)(SiC₆H₄CH₂N₃)₂O]/50～100mLN，N-二甲基甲酰胺，其中X为0或1。