CN107778495B - 一种镉金属有机框架配合物及其制备方法 - Google Patents

一种镉金属有机框架配合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种镉金属有机框架配合物，由柔性六羧酸配体和刚性咪唑配体协同构筑，化学式为{Cd3(L)(phenDIB)·6DMF}n，分子式为C90H96Cd3N10O25；所述镉金属有机框架配合物是单斜空间群C2/c，晶胞参数为：
Figure DDA0001475707010000011
Figure DDA0001475707010000012
密度＝1.412mg/m3，吸光系数＝0.730mm‑1，单胞内分子数＝4。该镉金属有机框架配合物能实现对高毒性的四氯化碳分子和六价的重金属铬离子高灵敏度的选择性检测，具有良好的应用前景。

Description

一种镉金属有机框架配合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及荧光材料领域，尤其涉及一种镉金属有机框架配合物。
背景技术
金属有机框架材料是一种新型的孔状晶体材料，具有高的比表面积、高的孔隙率、可调的孔尺寸以及可官能团化的孔表面等结构优势，在很多领域都表现出潜在的应用价值，如气体存储和分离、异相催化、药物传输、化学检测等，其中金属有机框架材料作为荧光传感器的应用尤其受到关注。相比于传统的检测仪器，金属有机框架材料制成的荧光传感器操作方便、价格便宜、不依赖电器设置，可以实现实时在线检测，而且灵敏度高，响应速度快。
传统的检测仪器对于四氯化碳分子和六价的重金属铬离子检测灵敏度低。四氯化碳分子是一种无色毒性液体，极易挥发，高温下则会转化成剧毒的光气或者氯化氢气体，造成臭氧层的破坏和环境污染。而六价的重金属铬离子是公认的水污染物，一般以CrO4 2-和Cr2O7 2-的形式存在，毒性的重金属离子也会造成严重的环境污染。因此研究金属有机框架材料作为荧光传感器的应用，实现对四氯化碳分子和六价的重金属铬离子的高灵敏度检测，具有环境保护和人身安全的双重价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制备简单，对四氯化碳分子和六价的重金属铬离子具有高灵敏度的选择性的镉金属有机框架配合物及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种镉金属有机框架配合物，由柔性H6L配体和刚性phenDIB配体协同构筑，化学式为{Cd3(L)(phenDIB)·6DMF}n，分子式为C90H96Cd3N10O25；所述镉金属有机框架配合物是单斜空间群C2/c，晶胞参数为：
Figure GDA0002758821420000011
α＝90°，β＝111.067(2)°，γ＝90°，
Figure GDA0002758821420000012
密度＝1.412mg/m3，吸光系数＝0.730mm-1，单胞内分子数＝4。
优选地，所述phenDIB配体和所述H6L配体的结构式如下所示：
Figure GDA0002758821420000021
优选地，所述镉金属有机框架配合物为棕色片状晶体。
一种用于检测四氯化碳的荧光传感器材料，包括上述镉金属有机框架配合物。
一种用于检测重金属离子CrVI的荧光传感器材料，包括上述镉金属有机框架配合物。
一种镉金属有机框架配合物的制备方法，采用溶剂热合成法，包括以下步骤：1)、混合：将Cd(NO3)2，H6L、phenDIB加入到反应釜中，随后加入DMF作为溶剂混合均匀，反应釜密封；2)、将步骤1)中的反应釜的反应温度升温到120℃，并在120℃下反应3天，再降温至25℃，结晶形成晶体，所述晶体为镉金属有机框架配合物。
优选地，所述Cd(NO3)2，H6L和phenDIB按照下述重量百分比进行配比：Cd(NO3)236％～48％，H6L 38％～50％，phenDIB 10％～20％。
优选地，所述步骤2)中的升温为在3小时内从25℃升温到120℃。
优选地，所述步骤2)中的降温是以每分钟0.1℃的速率进行降温。
与现有技术相比，本发明的一种镉金属有机框架配合物的优点在于：1、稳定性高，便于保存；2、制备方法简单；3、能对高毒性的四氯化碳分子和六价的重金属铬离子实现高灵敏度的选择性检测，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的镉金属有机框架配合物中的phenDIB(1,4-苯并咪唑苯)配体的结构式。
图2是本发明实施例的镉金属有机框架配合物中的H6L(六羧酸)配体的结构式。
图3是本发明实施例的镉金属有机框架配合物的晶体不对称单胞图。
图4是本发明实施例的镉金属有机框架配合物的晶体三维结构图。
图5是本发明实施例的镉金属有机框架配合物的粉末衍射图。
图6是本发明实施例的镉金属有机框架配合物的红外光谱图。
图7是本发明实施例的镉金属有机框架配合物的荧光光谱图。
图8是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在N,N-二甲基甲酰胺有机溶剂中的荧光光谱图。
图9是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在苯有机溶剂中的荧光光谱图。
图10是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在正丙醇有机溶剂中的荧光光谱图。
图11是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在四氢呋喃有机溶剂中的荧光光谱图。
图12是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在乙醇有机溶剂中的荧光光谱图。
图13是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在二氯化碳有机溶剂中的荧光光谱图。
图14是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在异丙醇有机溶剂中的荧光光谱图。
图15是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在氯仿有机溶剂中的荧光光谱图。
图16是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在甲醇有机溶剂中的荧光光谱图。
图17是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在甲苯有机溶剂中的荧光光谱图。
图18是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在乙腈有机溶剂中的荧光光谱图。
图19是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在四氯化碳有机溶剂中的荧光光谱图。
图20是本发明实施例的镉金属有机框架配合物对四氯化碳的连续时间的气相检测的荧光光谱图。
图21是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在碳酸钠水溶液中的荧光光谱图。
图22是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在叠氮化钠水溶液中的荧光光谱图。
图23是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在溴化钠水溶液中的荧光光谱图。
图24是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在氟化钠水溶液中的荧光光谱图。
图25是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在溴酸钠水溶液中的荧光光谱图。
图26是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在碘酸钠水溶液中的荧光光谱图。
图27是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在醋酸钠水溶液中的荧光光谱图。
图28是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在磷酸钠水溶液中的荧光光谱图。
图29是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在硫酸钠水溶液中的荧光光谱图。
图30是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在氯化钠水溶液中的荧光光谱图。
图31是本发明实施例的镉金属有机框架配合物在重铬酸钠水溶液中的荧光光谱图。
图32是本发明实施例的镉金属有机框架配合物对不同浓度下的铬酸根离子的灵敏度检测的荧光光谱图。
图33是本发明实施例的镉金属有机框架配合物对不同浓度下的重铬酸根离子的灵敏度检测的荧光光谱图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明镉金属有机框架配合物具有三维孔结构，是由柔性H6L配体和刚性phenDIB配体协同构筑，其化学通式为{Cd3(L)(phenDIB)·6DMF}n，分子式为C90H96Cd3N10O25，其中phenDIB配体和H6L配体的结构式分别如图1和图2所示。
本发明的镉金属有机框架配合物采用溶剂热合成方法，其原料组分按照下述重量百分比进行配比：Cd(NO3)2(四水硝酸镉)36％～48％、H6L 38％～50％、phenDIB 10％～20％，并按照以下步骤进行制备：
1)、称量：分别称取37.1mg的Cd(NO3)2(四水硝酸镉)，39.3mg的H6L，12.4mgphenDIB。
2)、混合：将步骤1)中称量好的各组分加入到容量为20ml的反应釜中，然后加入3ml DMF(N,N’-二甲基甲酰胺)作为溶剂，搅拌均匀后，反应釜密封。
3)、将步骤2中的反应釜放入具有程序控温功能的鼓风式加热箱中，用3小时从25℃程序升温到120℃，之后在120℃反应3天，再以每分钟0.1℃的降温速率降到25℃，提高结晶效果，制备得到棕色片状晶体，该棕色片状晶体即为镉金属有机框架配合物。
以下是对本发明实施例中的制备方法制备的镉金属有机框架配合物的晶体纯度验证。
取上述制备方法得到的晶体适量，分别采用X-射线粉末衍射仪，元素分析仪和傅立叶红外光谱仪进行测量，其结果如图5-6所示。
结果分析：
由图5可知，实施例中制备的晶体通过X-射线粉末衍射仪所测的峰和上述镉金属有机框架配合物理论模拟的峰基本一致，由此可以证实实施例中所制备的晶体就是上述镉金属有机框架配合物，并且其纯度较高。
另外，通过元素分析仪分析制备得到的晶体，其元素分析数据如下：各元素的实际测量的含量百分比分别是C为51.1％，H为4.68％，N为9.90％。根据镉金属有机框架配合物的分子式C90H96Cd3N10O25可以计算得到各元素的理论含量百分比分别是：C为50.89％，H为4.70％，N为9.79％。制备得到的晶体测量出的各元素含量百分比基本接近理论值，由此可知上述镉金属有机框架配合物的纯度非常高。
图6为制备得到的晶体的红外光谱图，由图6所显示的吸收峰的位置和形状进一步验证了所制备的晶体为上述镉金属有机框架配合物。
综合上述结果可以看出，实施例中的制备方法所制得的晶体为镉金属有机框架配合物，并且纯度很高，上述制备方法简单有效。
以下是对本发明实施例的镉金属有机框架配合物的结构测定。
选取尺寸为0.36mm×0.35mm×0.30mm的镉金属有机框架配合物晶体，以石墨单色器的Mo靶为衍射光源，入射光波长为
Figure GDA0002758821420000041
采用Bruker Apex II CCD单晶衍射仪进行测试，得到镉金属有机框架配合物的晶体学数据如表1所示，部分键长、键角如表2所示，并根据表1和表2得到晶体的立体构型，如图3和图4所示。
表1镉金属有机框架配合物的晶体学数据表
Figure GDA0002758821420000051
表2镉金属有机框架配合物的部分键长键角
Figure GDA0002758821420000052
Figure GDA0002758821420000061
其中对称码为：#1-x+3/2,-y+3/2,-z+2；#2x,y,z-1；#3-x+3/2,-y+3/2,-z+1；#4-x+2,y,-z+3/2；#5x-1/2,-y+3/2,z-1/2；#6x+1/2,-y+3/2,z+1/2；#7-x+3/2,-y+1/2,-z+1；#8-x+2,y,-z+5/2；#9x,y,z+1；x、y、z为轴向。
结果分析：
通过单晶衍射仪解析数据得知，如表1和2所示，镉金属有机框架配合物晶体是单斜空间群C2/c。如图3所示，镉金属有机框架配合物晶体的不对称单胞中包含两个晶体学独立的Cd原子，半个全脱质子化的H6L配体，半个phenDIB配体和六个游离的DMF分子。其中Cd1是六配位的八面体构型，六个配位原子全部来自羧酸配体的氧原子；Cd2也是六配位的，其中四个配位原子来自两个羧酸配体的氧原子，另外两个配位原子来自两个phenDIB配体的N原子。如图3所示，中间一个Cd1和通过对称产生的两端的两个Cd2形成三核镉单元Cd3 II，作为镉金属有机框架配合物的基本框架。接着三核镉单元Cd3 II通过H6L配体连接成为二维层，进而通过刚性的phenDIB配体搭桥形成为最终柱层状的孔结构，如图4所示，其中该孔状结构包含一个大孔道，尺寸为
Figure GDA0002758821420000062
Figure GDA0002758821420000063
大孔道的表面具有大量的没有参与配位的羧基O原子和N原子，有机溶剂分子和阴离子进入该大孔道并与大孔道表面上的羧基O原子和N原子相互作用，使镉金属有机框架配合物具备了检测的基本特征，从而成为作为传感器材料的基础。
以下是本发明实施例的镉金属有机框架配合物的荧光光谱测定。
取镉金属有机框架配合物晶体适量研磨成粉末，采用荧光光谱仪，在入射光激发波长为303nm下进行测量，实验结果如图7所示。
结果分析：
由图7可知，镉金属有机框架配合物在360nm～480nm波长范围内表现出强的发射，最强峰的位置在391nm，由此可知镉金属有机框架配合物具有很好的发光性能。
以下是对本发明实施例的镉金属有机框架配合物对四氯化碳分子的气相检测的评价，通过荧光光谱仪器进行测试分析评价，具体步骤如下：
1)、对不同溶剂的液相选择性进行检测分析：选取的常见的各种有机溶剂分子，如N,N-二甲基甲酰胺、苯、正丙醇、四氢呋喃、乙醇、二氯化碳、异丙醇、氯仿、甲醇、甲苯、乙腈、四氯化碳。
量取上述有机溶剂各3ml，分别置于单独的离心管中，并在每个离心管中加入镉金属有机框架配合物晶体研磨而成的粉末3mg，超声30分钟使分散均匀，然后老化12小时后，记录各试管有机溶剂的液相荧光光谱图，如图8-19所示。
2)、单独对四氯化碳的气相敏感性进行检测：称取镉金属有机框架配合物晶体100mg研磨进行压片，然后粘贴在石英片上，放入液相比色皿中，之后在比色皿中加入120μl四氯化碳液体，然后盖上塞子封闭比色皿，记录四氯化碳的连续气相检测的荧光光谱图，如图20所示。
结果分析：
由图8-19可知，镉金属有机框架配合物对四氯化碳表现出明显的荧光淬灭效应。
由图20可知，镉金属有机框架配合物对四氯化碳荧光淬灭响应非常快，三分钟荧光强度已经减少为原来的一半。
结合图8-20可知，镉金属有机框架配合物对四氯化碳气相检测灵敏度高，可以实现即时响应。
以下是对本发明实施例的镉金属有机框架配合物对水溶液中CrO4 2-和Cr2O7 2-的检测评价，通过荧光光谱仪器进行测试分析评价，具体步骤如下：
1)、对包含各种不同阴离子的水溶液进行选择性能检测分析：选取的常见的各种阴离子的钠盐，如碳酸钠、叠氮化钠、溴化钠、氟化钠、溴酸钠、碘酸钠、醋酸钠、磷酸钠、硫酸钠、氯化钠、重铬酸钠。
量取不同离子的钠盐溶液中各3ml，分别置于单独的离心管中，并在每个试管中加入镉金属有机框架配合物晶体研磨而成的粉末3mg，超声30分钟使分散均匀，然后老化12小时后，记录各试管不同钠盐溶液的液相荧光光谱图，如图21-31所示。
2)、对不同浓度的铬酸根离子和重铬酸根离子的水溶液进行灵敏度检测：分别称取镉金属有机框架配合物晶体研磨而成的粉末3mg，浸泡在不同浓度的铬酸根离子和重铬酸根离子的水溶液中12小时，浓度范围从10-8mol/L到0.1mol/L，记录不同浓度的铬酸根离子和重铬酸根离子的荧光光谱图，如图32和图33所示。
结果分析：
由图21-31可知，镉金属有机框架配合物对CrVI表现出明显的荧光淬灭效应。
由图32和图33可知，镉金属有机框架配合物对CrVI的荧光淬灭效应随着离子浓度的增加而增强。
结合图21-33，镉金属有机框架配合物对微量的CrVI可以实现高灵敏度的检测。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种镉金属有机框架配合物，其特征在于：由柔性H6L配体和刚性phenDIB配体协同构筑，化学式为{Cd3(L)(phenDIB)·6DMF}n，分子式为C90H96Cd3N10O25；所述镉金属有机框架配合物是单斜空间群C2/c，晶胞参数为：
Figure FDA0002770019870000011
Figure FDA0002770019870000012
α＝90°，β＝111.067(2)°，γ＝90°，
Figure FDA0002770019870000013
密度＝1.412mg/m3，吸光系数＝0.730mm-1，单胞内分子数＝4，所述phenDIB配体和所述H6L配体的结构式如下所示：
Figure FDA0002770019870000014
2.如权利要求1所述的一种镉金属有机框架配合物，其特征在于：所述镉金属有机框架配合物为棕色片状晶体。
3.一种用于检测四氯化碳的荧光传感器材料，其特征在于：包括上述权利要求1-2中任一项所述的镉金属有机框架配合物。
4.一种用于检测重金属离子CrVI的荧光传感器材料，其特征在于：包括上述权利要求1-2中任一项所述的镉金属有机框架配合物。
5.一种如权利要求1所述的镉金属有机框架配合物的制备方法，其特征在于：采用溶剂热合成法，包括以下步骤：
1)、混合：将Cd(NO3)2、H6L、phenDIB加入到反应釜中，随后加入DMF作为溶剂混合均匀，反应釜密封；
2)、将步骤1)中的反应釜的反应温度升温到120℃，并在120℃下反应3天，再降温至25℃，结晶形成晶体，所述晶体为镉金属有机框架配合物。
6.如权利要求5所述的镉金属有机框架配合物的制备方法，其特征在于：所述Cd(NO3)2、H6L和phenDIB按照下述重量百分比进行配比：Cd(NO3)236％～48％，H6L38％～50％，phenDIB10％～20％。
7.如权利要求5所述的镉金属有机框架配合物的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的升温为在3小时内从25℃升温到120℃。
8.如权利要求5所述的镉金属有机框架配合物的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的降温是以每分钟0.1℃的速率进行降温。
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