CN104610366A - 一种十核锰配合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种十核锰配合物及其制备方法和应用 Download PDF

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陈秀霓
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Abstract

本发明公开了一种十核锰配合物及其制备方法和应用。所述的十核锰配合物的化学式为:[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O,其中,bdsh为N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼,DMF为N,N'-二甲基甲酰胺。上述十核锰配合物的制备方法为:以Mn(OAc)2·4H2O、N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼和吡嗪为原料,以无水甲醇和N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂,调节体系的pH=8~10,以常规溶液法反应制得目标产物。本发明所述的十核锰配合物的磁学性质为:分子内锰离子间存在反铁磁交换,其整体表现为反铁磁性;本发明所述的制备方法简单、成本低廉、重复性好。

Description

一种十核锰配合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种十核锰配合物及其制备方法和应用,属于磁性材料技术领域。
背景技术
上世纪初,量子力学的诞生为凝聚态物理学带来了革命性的进步。目前,几乎所有的电学、磁学和光学器件的飞速发展都是基于量子理论这一伟大的发现。其中,具有螺旋结构的分子、纳米和微米器件往往具有非螺旋结构所不具备的特殊物理性能,如磁手性、拉伸性、旋光性等。并且由于螺旋结构的形状参数易于改变和操控,因此这些功能器件先天地具备了开发成传感器的潜质。尤其近年来,功能器件纳米化、分子化的大背景下,针对螺旋结构量子行为的研究,不仅能够为微纳传感器的研发开辟新的思路,更将为新型微纳功能材料的实验研究提供超前的理论指导。双螺旋N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼锰配合物因其结构新颖,具有强的可见吸收光谱、氧化还原性质、磁性、生物活性和分子识别特征,是研究多金属原子之间的相互作用和多金属中心体系的良好模型化合物,在单分子磁体、纳米磁性材料、分子开关以及晶体工程构筑等方面具有许多潜在的应用价值,因而成为当前金属配合物的研究热点,这些自然存在的螺旋结构及其螺旋的重要生物意义促使化学家和材料科学家摹拟相关的生物结构,合成具有螺旋结构的化合物,并开发它们在不对称催化、化学拆分、非线性光学、仿生化学及结构生物学方面的潜在应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新的十核锰配合物,以及它的制备方法和应用。
本发明所述的十核锰配合物,其化学式为:
[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O
其中,bdsh为N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼,DMF为N,N-二甲基甲酰胺。
本发明所述的十核锰配合物是一种具有双螺旋结构的锰配合物,其分子式为:C143H163N31O54Mn10,分子量为:3729.44。
本发明所述十核锰配合物的晶体结构数据见表1,键长键角数据见表2。
表1 [Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O的晶体学参数
aR1=Σ||Fo|-|Fc||/Σ|Fo|;bwR2=[Σw(Fo 2-Fc 2)2/Σw(Fo 2)2]1/2
表2 [Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O的键长和键角(°)
申请人对本发明所述的十核配合物的磁性研究表明,该配合物中金属锰离子间存在反铁磁交换作用。因此,本发明还包括上述十核配合物在制备磁性材料中的应用。
上述十核锰配合物的制备方法为:取Mn(OAc)2·4H2O和N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼,用由无水甲醇和N,N-二甲基甲酰胺组成的混合溶剂溶解,然后向其中加入吡嗪,搅拌均匀后调节体系的pH=8~10,常温或加热条件下搅拌反应,反应物过滤,所得滤液静置,有晶体析出,分离出晶体,即得到十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O。
上述制备方法中,所述Mn(OAc)2·4H2O和N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼的摩尔比为化学计量比,可以是2~3:1,通常为2:1。上述制备方法中,优选是在将Mn(OAc)2·4H2O和N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼用混合溶剂溶解后,搅拌30~60min后再加入吡嗪。所述吡嗪的加入量为N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼物质的量的1.5~2.5倍。
上述制备方法中,所述的混合溶剂中,无水甲醇和N,N-二甲基甲酰胺的的体积比可以为任意配比,优选为1~1.75:1~2,最优选为1:1。所述混合溶剂的用量可根据需要确定,通常以能溶解参加反应的原料为宜。
上述制备方法中,可以采用现有常用的碱性物质来调节溶液的pH值,优选是采用吡啶调节溶液的pH值。本发明所述技术方案中,优选调节溶液的pH=8~9。
上述制备方法中,所述的常温通常是指20~25℃,所述调节pH值后的体系在加热条件下反应是指调节pH值后的体系在高于常温且低于80℃的条件下反应。反应通常在搅拌条件下进行,反应是否完全可采用薄层层析跟踪检测,在上述限定条件下,反应至完全所需的时间通常为5~7周或7周以上。在具体溶解的步骤中,可将Mn(OAc)2·4H2O和N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼分别用一部分混合溶剂溶解,再混合在一起反应,也可将Mn(OAc)2·4H2O和N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼混合后再加混合溶剂溶解。
本发明所述方法中作为原料的N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼可可参考现有文献进行制备,也可自己设计合成路线进行制备,优选地,本申请采用以下方法制备:
取间苯二甲酸和氯化亚砜加热或回流反应,得到间苯二甲酰氯;冰浴条件下,将所得间苯二甲酰氯加入到水杨酰肼的四氢呋喃溶液中,调节体系的pH值为6~7,然后在冰浴条件下搅拌反应,有沉淀产生,之后再转移至20~30℃条件下反应,反应物过滤,滤渣洗涤、干燥,即得到N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼。
上述N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼的制备方法中,所述间苯二甲酸和氯化亚砜的摩尔比为化学计量比,通常为1~3:1~6;所述间苯二甲酸和氯化亚砜通常在70~90℃条件下反应直至反应完全(通过薄层层析跟踪检测),减压蒸馏后得到黄色粘稠状液体间苯二甲酰氯。所述间苯二甲酰氯和水杨酰肼的摩尔比为化学计量比,通常为1~2:1~3;它们在冰浴条件下反应0.5~2h后即有白色沉淀生成,此时将整个反应体系再移至20~30℃条件下反应至完全(通过薄层层析跟踪检测),通常情况下上述温度范围内反应至完全大约需要1~2天,反应完全后反应物过滤后通常是将滤渣用丙酮、水和乙醚洗涤;在该反应体系中,所述四氢呋喃的用量根据需要进行确定。该N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼的制备方法中,可以采用现有常用的碱性物质来调节溶液的pH值,优选是采用三乙胺调节溶液的pH值。
与现有技术相比,本发明提供了一种新的具有双螺旋结构的十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O及其制备方法和应用,该十核锰配合物的磁学性质为:分子内锰离子间存在反铁磁交换,其整体表现为反铁磁性;本发明所述的制备方法简单、成本低廉、化学组分易于控制、重复性好。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O的结构图;
图2为本发明实施例1制得的[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O的螺旋堆积图;
图3为本发明实施例1制得的[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O的χM-T,χMT-T曲线图;
图4为本发明实施例1制得的[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O的1/χM-T曲线图;
图5为本发明实施例1制得的[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O的红外光谱谱图。
图6为本发明实施例中涉及的N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼配体的红外光谱谱图;
图7为本发明实施例中涉及的N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼配体的质谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。
以下各实施例中涉及的N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼采用以下方法制备:
在间苯二甲酸(1.34g,10mmol)中滴加20mL氯化亚砜搅拌下78℃回流6h,减压蒸馏得黄色粘稠状液体间苯二甲酰氯。冰浴下将所得的间苯二甲酰氯(2.03g,10mmol)加到溶有1.4mL三乙胺和水杨酰肼(1.83g,24mmol)的60mLTHF溶液中,冰浴下搅拌1小时,有白色沉淀产生,再转移到室温反应2天,过滤,先后用丙酮、水和乙醚洗涤,再放到有固体P2O5的真空干燥箱中干燥,得到产物3.2g,产率76.4%。合成路线如下:
对所得产物进行表征:对产物(C22H18N4O6(434.41))进行元素分析(%)(括号内为理论值):C,60.83(60.43);H,4.14(4.04);N,12.90(13.54)。对产物进行红外分析,其红外光谱谱图如图6所示,主要数据如下(KBr pellet,cm-1):3207(m),2862(m),2709(m),2560(m),1654(vs),1613(m),1569(m),1506(m),1492(vs),1473(m),1362(m),1303(m),1236(m),1171(w),1040(w),748(m),691(m),524(w)。所得产物的质谱图如图7所示。因此,确定所得产物即为N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼。
实施例1:
本发明涉及的十核锰配合物为[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O,其中bdsh为N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼,DMF为N,N-二甲基甲酰胺。
上述十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O的制备方法为:
称取Mn(OAc)2·4H2O(0.1mmol,0.0249g)、N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼(0.05mmol,0.0217g)加入到25mL的圆底烧瓶中,然后向圆底烧瓶中先后加入5mL的DMF和5mL的无水甲醇溶液,在温度为30℃的环境中搅拌30min,搅拌条件下加入0.008g(0.1mmol)的吡嗪,继续搅拌60min后加入0.1mL的吡啶(此时体系的pH值为8.8),再继续搅拌反应8h,反应物过滤,得到棕黑色滤液,将所得滤液在常温条件下静置进行常规挥发,5周后有长方体块状黑色晶体生成,分离出晶体,于空气中晾干。产量:78.9mg,产率:21.25%。
对实施例1所得产物进行其它表征:
1)晶体结构分析:
通过单晶衍射测定表面结构完好的长方体块状黑色晶体以确定其晶体结构,所得晶体结构数据如前述表1所示,键长键角数据如前述表2所示,所得长方体块状黑色晶体的化学结构如图1所示,确定所得黑色块状晶体即为双螺旋结构的十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O,其中bdsh为N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼,该配合物的分子式为C143H163N31O54Mn10,分子量为:3729.44。上述长方体块状黑色晶体的螺旋堆积图如图2所示。
2)磁学性质测定:
取0.0196克本实施制得的晶体碾碎后在磁性测试仪器上进行磁性测试,得到磁性测试曲线如图3(双螺旋结构配合物的χM-T,χMT-T曲线图)、图4(双螺旋结构配合物的1/χM-T曲线图)。
由图3~4可知,本发明所述双螺旋结构的十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O在300K时的χMT值为30.424cm3Kmol-1,在外加磁场强度1000Oe下,2–300K温度范围内测定配合物的变温磁化率。随着温度的降低,χMT的值也逐渐降低,到3.0K时降到6.19cm3Kmol-1。χMT值随温度降低而降低的关系,表明化合物中Mn(III)离子之间存在反铁磁耦合作用。χM –1与温度T的关系则为其随着温度的增大而逐渐减小。χM –1-T曲线遵从Curie-Weiss定律,我们对其进行拟合得到居里常数C=159.01cm3Kmol-1和Weiss常数θ=–4.98K,这一负的Weiss常数进一步说明了该配合物中锰离子之间存在反铁磁交换作用。
3)红外表征:
用美国Nicolet 360FT-IR型傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片),对本实施例制得的十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O进行红外分析,摄谱范围400~4000cm-1,所得红外光谱谱图如图5所示。
实施例2
重复实施例1,不同的是:
1)将Mn(OAc)2·4H2O的量更改为0.15mmol,即0.0374g;
2)将混合溶剂更改为由5mL无水甲醇和6mL DMF组成;
3)用吡啶的调节体系的pH值为8.0;
4)将反应温度控制在60℃,反应时间控制在7周。
对所得产物进行结构表征和红外表征,确定目标产物为十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O,在300K时的χMT值为30.424cm3Kmol-1,随着温度的降低,χMT的值也逐渐降低,到3.0K时降到6.19cm3Kmol-1。χM –1-T曲线遵从Curie-Weiss定律,我们对其进行拟合得到居里常数C=159.01cm3Kmol-1和Weiss常数θ=–4.98K,这一负的Weiss常数进一步说明了该配合物中锰离子之间存在反铁磁交换作用。
实施例3
重复实施例1,不同的是:
1)将混合溶剂更改为由10mL无水甲醇和6mL DMF组成;
2)用吡啶的调节体系的pH值为8.5;
3)将反应温度控制在80℃,反应时间控制在3周。
对所得产物进行结构表征和红外表征,确定目标产物为十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O,在300K时的χMT值为30.424cm3Kmol-1,随着温度的降低,χMT的值也逐渐降低,到3.0K时降到6.19cm3Kmol-1。χM –1-T曲线遵从Curie-Weiss定律,我们对其进行拟合得到居里常数C=159.01cm3Kmol-1和Weiss常数θ=–4.98K,这一负的Weiss常数进一步说明了该配合物中锰离子之间存在反铁磁交换作用。
实施例4
重复实施例1,不同的是:
1)将混合溶剂更改为由5mL无水甲醇和10mL DMF组成;
2)用吡啶的调节体系的pH值为9.5;
3)将反应温度控制在100℃,反应时间控制在2周。
对所得产物进行结构表征和红外表征,确定目标产物为十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O,在300K时的χMT值为30.424cm3Kmol-1,随着温度的降低,χMT的值也逐渐降低,到3.0K时降到6.19cm3Kmol-1。χM –1-T曲线遵从Curie-Weiss定律,我们对其进行拟合得到居里常数C=159.01cm3Kmol-1和Weiss常数θ=–4.98K,这一负的Weiss常数进一步说明了该配合物中锰离子之间存在反铁磁交换作用。

Claims (7)

1.一种十核锰配合物,其化学式为:
[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O
其中,bdsh为N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼,DMF为N,N-二甲基甲酰胺。
2.权利要求1所述的十核锰配合物的制备方法,其特征在于:取Mn(OAc)2·4H2O和N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼,用由无水甲醇和N,N-二甲基甲酰胺组成的混合溶剂溶解,然后向其中加入吡嗪,搅拌均匀后调节体系的pH=8~10,常温或加热条件下搅拌反应,反应物过滤,所得滤液静置,有晶体析出,分离出晶体,即得到十核锰配合物[Mn10(bdsh)5(DMF)6(H2O)4]·5DMF·9H2O。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的混合溶剂中,无水甲醇和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1~1.75:1~2。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:用吡啶调节溶液的pH值。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:调节pH值后的体系在加热条件下反应是指调节pH值后的体系在高于常温且低于80℃的条件下反应。
6.根据权利要求2~5中任一项所述的制备方法,其特征在于:所述,N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼采用以下方法制备:
取间苯二甲酸和氯化亚砜加热或回流反应,得到间苯二甲酰氯;冰浴条件下,将所得间苯二甲酰氯加入到水杨酰肼的四氢呋喃溶液中,调节体系的pH值为6~7,然后在冰浴条件下搅拌反应,有沉淀产生,之后再转移至20~30℃条件下反应,反应物过滤,滤渣洗涤、干燥,即得到N,N'-二(水杨酰基)间苯二甲酰肼。
7.权利要求1所述的十核锰配合物在制备磁性材料中的应用。
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