CN107056647A - 十六核锰簇合物及其合成方法和应用 - Google Patents

十六核锰簇合物及其合成方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种十六核锰簇合物及其合成方法和应用。该簇合物的化学式为[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3‑O)4(H2O)12]·7DMF·H2O，L表示N,N’‑二(水杨酰基)‑(E)‑丁烯二酰肼脱去六个氢原子，带六个单位的负电荷。配合物属于三斜晶系，P‑1空间群。该簇合物的合成方法为：取N,N’‑二(水杨酰基)‑(E)‑丁烯二酰肼和Mn(OAc)2·4H2O用混合溶剂溶解，调节所得溶液的pH＝5.1～5.6，所得混合液置于水热反应釜中，于加热条件下反应，反应物冷却，静置析晶，即得。本发明所述簇合物分子内锰离子间存在反铁磁交换，其对二氧化碳气体具有良好的吸附作用。

Description

十六核锰簇合物及其合成方法和应用
技术领域
本发明涉及一种十六核锰簇合物及其合成方法和应用，属于磁性材料技术领域。
背景技术
有着规则形状和大孔穴的金属有机分子笼是当前配位化学领域的研究热点之一，因其不仅仅有着迷人的结构，且在分离和贮存、分子识别、客体交换、催化、磁性、传感技术等领域有着诱人的潜在应用价值而受到许多课题组的关注。
N-酰化水杨酰肼配体是一类配位模式丰富多样的多齿配体，其本身具有抗菌的生物活性，引入此类配体构筑的分子笼可能对其潜在的应用性能产生影响。但目前尚未见有以N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼(L)为配体合成的笼状十六核锰簇合物[MnII 4MnIII 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O的相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构新颖的十六核锰簇合物及其合成方法和应用。
本发明所述的十六核锰簇合物，其化学式为：[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O，其中L表示N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼脱去六个氢原子，带六个单位的负电荷；该簇合物属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为： α＝85.566(4)°,β＝82.678(4)°,γ＝78.975(5)°。
申请人在研究中发现，本发明所述的十六核锰簇合物具有如下的磁学性质：分子内锰离子间存在反铁磁交换作用，其整体表现为顺磁性。此外，本申请人在研究中还发现，本发明所述族合物对气体物质具有良好的吸附作用。因此，本发明还包括上述十六核锰簇合物在制备磁性材料中的应用；以及十六核锰簇合物在制备吸附气体物质的吸附剂中的应用，更具体的说是在制备吸附二氧化碳气体的吸附剂中的应用。
本发明所述的十六核锰簇合物的合成方法为：取N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼和Mn(OAc)2·4H2O用混合溶剂溶解，调节所得溶液的pH＝5.1～5.6，所得混合液置于水热反应釜中，于加热条件下反应，反应物冷却，静置析晶，即得目标产物；所述的混合溶剂为N,N’二甲基甲酰胺和甲醇的组合物。
在具体的合成过程中，申请人发现：
1)仅当调节pH后的混合液置于水热反应釜中反应才会得到目标产物，当采用其它器具盛装调节pH后的混合液于相同条件下反应，反应物冷却后也有晶体析出，但经过结构表征并非本申请的目标产物。
2)虽然金属盐中的阴离子没有参与配位，但对生成目标产物却起到了关键作用，当我们换用不同的金属锰盐如甲酸锰、高氯酸锰、氯化锰或硫酸锰等，采用低温或高温溶剂热法、扩散法、常规溶液法均得不到晶体，可见，阴离子对晶体的合成有重要影响。
上述合成方法中，N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼和Mn(OAc)2·4H2O的摩尔比通常为化学计量比，具体可以是1：2～4，优选为1：2。
上述合成方法中，所述的混合溶剂中，N,N’二甲基甲酰胺和甲醇的体积比可以为任意配比，优选为1～3：1～3，较佳的选择为3：1、1：2或1：4。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。具体地，以0.1mmol的N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼为基准计算，全部原料所用混合溶剂的总用量一般为15～18mL。在具体溶解的步骤中，可将N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼和Mn(OAc)2·4H2O分别用混合溶剂中的一种成分溶解，再混合在一起反应，也可将N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼和Mn(OAc)2·4H2O混合后再加混合溶剂溶解。
上述合成方法中，可以采用现有常用的碱性物质(如吡啶、三乙胺等)来调节溶液的pH值。本发明所述技术方案中，优选调节溶液的pH＝5.3～5.5。
上述合成方法中，所述的水热反应釜为溶剂热法中常用的水热反应釜，通常为带聚四氟乙烯衬底的水热反应釜。所述反应优选是在60～120℃条件下进行，在上述温度条件下进行反应的时间通常为30～80h，也可以大于80h；优选是将反应时间控制在60～80h。反应更优选是在80～100℃条件下进行。
本发明所述合成方法中涉及的N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼可以参考现有文献(N.Sreenivasachary；D.T.Hickman；D.Sarazin,et al.DyNAs:ConstitutionalDynamic Nucleic Acid Analogues[J].Chemistry,2006,12(33):8581-8588.)进行合成，或者是自行设计路线合成。
与现有技术相比，本发明提供了一种结构新颖的十六核锰簇合物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O及其合成方法，合成方法简单、成本低廉、重复性好；申请人在研究中发现该簇合物分子内锰离子间存在反铁磁交换，可以用于制备磁性材料；还发现该簇合物对二氧化碳气体具有良好的吸附作用，可以用于制备吸附二氧化碳气体的吸附剂。
附图说明
图1为本发明各实施例使用的配体N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼的红外光谱图；
图2为本发明实施例1制得的最终产物的红外光谱图；
图3为本发明实施例1制得的最终产物的分子结构图；
图4为本发明实施例1制得的最终产物的热重曲线图；
图5为本发明实施例1制得的最终产物的变温磁化率图；
图6为本发明实施例1制得的最终产物在常压下对CO2的吸附曲线图。
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)-(E)-丁烯二酰肼(以下简称为配体或L)采用以下方法合成，其合成路线如下：
称取(E)-丁烯二羧酸(11mmol，1.8g)加入到250mL的圆底烧瓶中，缓慢滴加25mLSOCl2，95℃条件下搅拌回流5小时后滴加半滴DMF，减压蒸馏得黄色稠状液体，再将其溶解在15mL THF中。同时将水杨酰肼(23.0mmol，3.6g)溶解在75mL THF溶液中，冰浴下将两者混合搅拌，逐滴加入2.5mL三乙胺，继续冰浴搅拌5h后转至室温搅拌反应三天，得浅黄色沉淀，过滤，用THF，少量水，无水乙醚洗涤，粗产品用DMF和H2O的混合溶液重结晶，真空干燥，得到目标产物，产率为70％。配体(C18H16N4O6)元素分析(％)理论值：C，56.25；H，4.20；N，14.58。实验值：C，56.24；H，4.04；N，13.98。红外光谱如图1所示，数据如下：IR(KBr pellet，cm-1)：3370(m)，3539(m)，3231(m)，2743(w)，2590(w)，1706(m)，1614(vs)，1490(vs)，1316(m)，1218(m)，1156(m)，974(s)，877(m)，821(m)，731(m)。由红外谱图可知，配体在3539cm-1处的的吸收峰可归属为水分子的伸缩振动ν(HO-H)，3231cm-1处宽的的吸收峰为酰胺基的ν(N-H)伸缩振动，2743cm-1处的吸收峰归属为酚羟基ν(O–H)伸缩振动，在1706cm-1处有吸收峰，可归属为羰基C＝O的伸缩振动ν(C-O)峰，1614cm-1处的吸收峰归属为丁烯中C＝C的特征吸收峰，1316cm-1处的吸收峰为–C-NH–NH-C–基团的伸缩振动ν(C-N)峰，1218cm-1处的吸收峰可归属为酚基伸缩振动ν(C–O)，1490cm-1、1156cm-1、974cm-1、877cm-1、731cm-1处的吸收峰为苯环的特殊吸收峰。
实施例1
称取配体(0.05mmol,0.0192g)和Mn(OAc)2·4H2O(0.1mmol,0.0245g)溶于由7.5mL的DMF和2.5mL的CH3OH组成的混合溶剂中，再滴入3滴吡啶，搅拌均匀(此时溶液的pH＝5.3)，将所得溶液转入到容积为25mL带聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中，置于100℃条件下反应72h，取出，冷却至室温，将所得的黑色料液过滤，滤液在室温下静置挥发，三周后长出黑色块状晶体，产率：70％。(C144H171Mn16O65N36)元素分析(％)，理论值：C，40.00；H，3.99；N，11.66；实验值：C，40.05；H，3.90；N，11.72。
对实施例1所得产物进行表征：
1)红外表征：
用美国Nicolet 360 FT-IR型傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片)，对本实施例制得的产物进行红外分析，摄谱范围4000～400cm-1，所得红外光谱谱图如图2所示，数据如下：
IR(KBr pellet，cm-1)：3433(m)，1659(m)，1612(w)，1518(w)，1455(m)，1397(s)，1353(s)，1230(w)，1041(w)，861(w)，752(w)。
与配体的红外光谱图相比，本实施例制得的产物在3433cm-1处出现的宽吸收峰，可归属为水分子的伸缩振动峰ν(HO-H)。且产物在3231cm-1处已经不存在N-H的伸缩振动峰，说明酰胺基完全脱质子参与了配位；在1706cm-1处羰基的吸收峰红移至1659cm-1，表明羰基参与了配位，在1230cm-1处酚基的伸缩振动ν(C–O)吸收峰相较于配体ν(C–O)的吸收峰1218cm-1发生了蓝移，说明酚羟基发生了配位作用，1518cm-1、1455cm-1、1041cm-1、861cm-1、752cm-1处为苯环的特征吸收峰。上述分析结果与配合物单晶解析结果相符合。
2)晶体结构分析：
通过安捷伦公司SuperNova单晶衍射仪进行测定表面结构完好的黑色块状晶体以确定其单晶结构，所得晶体学参数数据见下述表1，键长键角数据见下述表2。
表1：簇合物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O的晶体学参数见表
表2：簇合物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O的部分键长和部分键角(°)表
X-射线单晶衍射分析表明，所得黑色块状晶体属于三斜晶系，P-1空间群，是由十六个锰离子，六个配体L，十二个配位的水分子，四个μ3-O离子，和十二个DMF溶剂分子、一个水溶剂分子组成的笼状簇合物。通过PLATON软件计算，该簇合物的孔穴率Vvoid约48.1％，孔穴直径约为。
所得黑色块状晶体的分子结构如图3所示。本实施所得产物中的十六个锰离子有两种不同的配位环境的锰离子，分别为独立的锰离子和由μ3-O桥连三个锰离子形成锰三角，均是六配位，十六个六配位的锰离子均处于扭曲的八面体配位构型，其中四个锰离子(Mn4，Mn8，Mn12，Mn16)的配位环境相同，为[MnN3O3]，配位原子来源相同，以Mn12为例，其参与配位的六个原子分别来自三个配体-的三个水杨酰基上的氧原子，三个水杨酰肼氮原子，六个配位原子构成一个扭曲的八面体构型。其中，轴向位置被水杨酰肼氮原子和水杨酰基上的氧原子所占据，赤道平面上被水杨酰肼氮原子和水杨酰基上的氧原子所占据。另一种锰离子由μ3-O桥连三个锰离子形成锰三角(Mn1，Mn2，Mn3，Mn5，Mn6，Mn7，Mn9，Mn10，Mn11，Mn13，Mn14，Mn15)的配位环境相同，为[MnNO5]，配位原子来源相同，以Mn14为例，其参与配位的六个原子分别来自一个配体中一个水杨酰基上的氧原子，水杨酰肼的一个氮原子，反式丁烯酰基上的一个氧原子，另一个配体的反式丁烯酰基上的一个氧原子、一个水分子上的氧原子和一个μ3-O原子，六个配位原子构成一个扭曲的八面体构型。其中，轴向位置被水杨酰基上的氧原子和反式丁烯酰基上的一个氧原子所占据，赤道平面上被一个水分子上的氧原子，反式丁烯酰基上的一个氧原子，水杨酰肼的一个氮原子和μ3-O原子所占据，锰三角的三个锰离子间的距离为形成一个等边三角形，三个锰离子和μ3-O原子形成一个三角锥。
综上，确定所得的黑色块状晶体为本发明所述的十六核锰簇合物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O，其中L表示N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼，该配体脱去六个氢原子，带六个单位的负电荷。
3)热重表征：
用法国塞特拉姆仪器有限公司Labsys evo TG-DSC/DTA，对本实施例制得的十六核锰簇合物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O进行热重测试与分析，测试条件为：氮气氛围下，以10℃/min速率从室温升至1000℃，热分析结果如图4所示。
由图4可知，本实施例制得的十六核锰簇合物的失重分为三个失重过程，从35到225℃发生第一次失重行为，失去总质量的14.1％(理论值为13.4％)，对应于化合物中游离的溶剂分子的失去；继续升温，在225–350℃时，发生第二次失重行为，失去总质量的19.7％(理论值为20.4％)对应于配合物上配位的十二个水分子和μ3-O原子的失去；在384–1000℃时发生最后一次失重行为，配合物框架逐渐坍塌。
4)磁学性质测定：
取22.5mg本实施例制得的十六核锰簇合物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O碾碎后在磁性测试仪器上进行磁性测试，具体是在2–300K温度区间内，直流外磁场为H＝1000Oe条件下，测量其摩尔磁化率随温度的变化情况，所得簇合物的变温磁化率图(χM-T,χMT-T曲线图)如图5所示。
由图5可知，在300K时，簇合物实验测得的χMT的值是50.21cm3K mol-1，理论值为53.5cm3K mol-1[对于四个S＝5/2的Mn(II)和十二个S＝2的Mn(Ⅲ)]，与理论值较为接近，随着温度的降低χMT缓慢降低，在100K达到44.54cm3K mol-1，随后急剧降低，在2K时达到最小值5.40cm3K mol-1。且χM –1-T曲线遵从居里-外斯定律，对其拟合得到Weiss常数θ＝-21.47K，居里常数为C＝53.94cm3K mol–1。χMT-T曲线趋势及负的Weiss常数均表明簇合物中锰离子间存在反铁磁交换作用。
5)吸附性能研究
将所得产物样品晾干后置于吸附仪样品腔，在100℃条件下抽真空处理4h直至真空度接近至真空泵最大真空度。195K干冰浴条件下，样品CO2常压吸附曲线如图6所示。
由图6可知，CO2吸附曲线呈I型曲线，在低压区(P/P0<0.1)吸附量值随压力升高而迅速增大，随后，再缓慢增加并趋于平衡。1.0bar处最大吸附量为75.51cm3g-1。由此可知，本发明所述簇合物对二氧化碳气体有较强的吸附作用。
实施例2
重复实施例1，不同的是：
1)将N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼和Mn(OAc)2·4H2O的物质的量之比更改为1：3；
2)混合溶剂中，将DMF和甲醇的体积比更改为2：1；
3)将溶液的pH值调至5.5。
取出水热反应釜，冷却至室温，将所得的黑色料液过滤，滤液在室温下静置挥发，三周后长出黑色块状晶体。产率65％。
对所得产物进行结构表征，确定产物为目标产物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O，其中L表示N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼脱去六个氢原子，带六个单位的负电荷。
对所得产物的磁学性质表征可知所得产物中锰离子间存在反铁磁交换作用。
对所得产物的吸附性能研究表明所得产物对二氧化碳气体有较强的吸附作用。
实施例3
重复实施例1，不同的是：
1)混合溶剂中，将DMF和甲醇的体积比更改为1：1；
2)将调好pH值的混合液置于80℃条件下反应48h。
取出水热反应釜，冷却至室温，将所得的黑色料液过滤，滤液在室温下静置挥发，三周后长出黑色块状晶体。产率61％。
对所得产物进行结构表征，确定产物为目标产物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O，其中L表示N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼脱去六个氢原子，带六个单位的负电荷。
对所得产物的磁学性质表征可知所得产物中锰离子间存在反铁磁交换作用。
对所得产物的吸附性能研究表明所得产物对二氧化碳气体有较强的吸附作用。
实施例4
重复实施例1，不同的是：
1)将溶液的pH值调至5.6。
2)混合溶剂中，将DMF和甲醇的体积比更改为1：3；
3)将调好pH值的混合液置于120℃条件下反应30h。
取出水热反应釜，冷却至室温，将所得的黑色料液过滤，滤液在室温下静置挥发，三周后长出黑色块状晶体。产率63％。
对所得产物进行结构表征，确定产物为目标产物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O，其中L表示N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼脱去六个氢原子，带六个单位的负电荷。
对所得产物的磁学性质表征可知所得产物中锰离子间存在反铁磁交换作用。
对所得产物的吸附性能研究表明所得产物对二氧化碳气体有较强的吸附作用。
实施例5
重复实施例1，不同的是：
1)将溶液的pH值调至5.2。
2)将调好pH值的混合液置于60℃条件下反应96h。
取出水热反应釜，冷却至室温，将所得的黑色料液过滤，滤液在室温下静置挥发，二周后长出黑色块状晶体。产率58％。
对所得产物进行结构表征，确定产物为目标产物[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O，其中L表示N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼脱去六个氢原子，带六个单位的负电荷。
对所得产物的磁学性质表征可知所得产物中锰离子间存在反铁磁交换作用。
对所得产物的吸附性能研究表明所得产物对二氧化碳气体有较强的吸附作用。

Claims (9)

1.一种十六核锰簇合物，其特征在于：
该簇合物的化学式为：[MnⅡ 4MnⅢ 12(L)6(μ3-O)4(H2O)12]·7DMF·H2O，其中L表示N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼脱去六个氢原子，带六个单位的负电荷；
该簇合物属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为： α＝85.566(4)°,β＝82.678(4)°,γ＝78.975(5)°。
2.权利要求1所述的十六核锰簇合物的合成方法，其特征在于：取N,N’-二(水杨酰基)-(E)-丁烯二酰肼和Mn(OAc)2·4H2O用混合溶剂溶解，调节所得溶液的pH＝5.1～5.6，所得混合液置于水热反应釜中，于加热条件下反应，反应物冷却，静置析晶，即得目标产物；所述的混合溶剂为N,N’二甲基甲酰胺和甲醇的组合物。
3.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于：所述的混合溶剂中，N,N’二甲基甲酰胺和甲醇的体积比为1～3：1～3。
4.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于：反应在60～120℃条件下进行。
5.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于：反应的时间为30～80h或大于80h。
6.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于：用吡啶调节溶液的pH值。
7.权利要求1所述的十六核锰簇合物在制备磁性材料中的应用。
8.权利要求1所述的十六核锰簇合物在制备吸附气体物质的吸附剂中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：是在制备吸附二氧化碳气体的吸附剂中的应用。
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