CN108250450B

CN108250450B - 一种镉配位聚合物及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN108250450B
Application number: CN201810052037.7A
Authority: CN
Inventors: 李妮娅; 刘�东
Original assignee: Huaibei Normal University
Current assignee: Huaibei Normal University
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: CN108250450A

Abstract

本发明公开了一种镉配位聚合物及其制备方法和用途，其中镉配位聚合物为{[镉(1,4‑二(1,2,4‑三氮唑)‑2‑丁烯)(5‑甲基‑间苯二甲酸基)(水)]·水·乙腈}_n，n为任意正整数。本发明镉配位聚合物在水中结构稳定，能作为光催化剂降解有机染料甲基橙，使其变为无污染的水和二氧化碳。循环5次后镉配位聚合物仍保持稳定，其催化活性也未出现明显降低。

Description

一种镉配位聚合物及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种镉配位聚合物及其制备方法和用途，属于光催化化学领域。

背景技术

三氮唑本身含有三个N原子，具有多个配位点，与金属离子有较强的配位能力，形成的配位聚合物有丰富的空间结构和特殊的性质。三氮唑及其衍生物配位聚合物被广泛地应用于各个领域，如：非线性光学材料，电池材料，吸附存储材料等，还被用作光分解水的催化剂，氧化还原催化剂，离子交换剂，高分子聚合的引发剂及反应阻聚剂等，同时在医学上也有较好的应用前景。因此，三氮唑及其衍生物构筑的配位聚合物受到了科学家们的广泛关注。

与此同时，人口快速增长，生态环境污染日益严重，绿色化学亟待发展。因此，高效地利用光降解污水中的有机染料成为了一项极具发展前景的新技术，光降解有机染料具有可在常温常压下反应，条件温和，且能够将有机物降解为无毒害的无机物的优点。目前光催化性能优异的材料体系主要集中在ZnO、TiO₂、钛酸盐等宽禁带半导体，它们只能吸收太阳光中很少的紫外光部分，在一定程度上影响了光催化材料的催化活性。配位聚合物具有较窄的能带间隙值，光谱响应范围更加广阔，在发展新型高效可见光光催化材料方面具有广阔发展前景。因此，设计合成结构多样的配位聚合物并研究它们降解污水中有机染料的性能具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明旨在提供一种镉配位聚合物及其制备方法和用途，所要解决的技术问题是通过分子设计遴选合适的配位聚合物结构，将其作为光催化剂用以光催化降解有机染料甲基橙。

本发明镉配位聚合物为：{[镉(1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯)(5-甲基-间苯二甲酸

基)(水)]·水·乙腈}_n，n为任意正整数。其中1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯和5-甲基-间苯二甲酸结构式如下：

本发明镉配位聚合物的晶体属于三斜晶系，空间群为

，晶胞参数为a＝10.179(2)

b＝11.165(2)

c＝11.797(2)

α＝76.54(3)°，β＝67.94(3)°，γ＝79.48(3)°，V＝1201.7(5)

Z＝2。

本发明镉配位聚合物的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：配体1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯的制备

在氮气气氛中，将1,2,4-三氮唑2.76g溶解在40mL无水甲醇中，随后滴加含有2.59g甲醇钠的甲醇溶液30mL，搅拌10分钟，然后滴加含有4.28g 1,4-二溴-2-丁烯的甲醇溶液30mL，于80℃反应3天，反应结束后过滤，收集滤液，旋蒸除去溶剂，得黄色的粗产品，用40mL二氯甲烷重结晶，得配体1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯，为淡黄色的固体。

反应过程如下：

步骤1中，1,2,4-三氮唑、1,4-二溴-2-丁烯、甲醇钠反应的摩尔比为2:1:2.4。

步骤2：镉配位聚合物的制备

将1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯1.90g、四水合硝酸镉3.08g、5-甲基-间苯二甲酸1.80g、去离子水80mL及乙腈5mL加入到150mL反应釜中，于马弗炉中175℃恒温反应50小时，然后缓慢降至室温，可得镉配位聚合物的晶体。

所述的反应溶剂为水和乙腈，其体积比为16:1。

本发明镉配位聚合物的用途，是在光催化降解染料甲基橙时作为催化剂的应用。

本发明镉配位聚合物的应用，是在光催化降解染料甲基橙时作为催化剂使用，使其变成无污染的水和二氧化碳，具体包括如下步骤：

向50mL甲基橙水溶液中加入催化剂镉配位聚合物，用功率为200W的高压汞灯作为光源照射，并保持搅拌。

所述甲基橙水溶液的浓度为0.02～1.00g/L。

所述催化剂与所述甲基橙的质量比为1:(1～5)。

光催化降解的反应温度为10～50℃，反应时间为1～12小时。

本发明镉配位聚合物在水中结构稳定，能作为光催化剂降解有机染料甲基橙，使其变为无污染的水和二氧化碳。本发明镉配位聚合物循环5次后仍保持稳定，其催化活性也未出现明显降低。

附图说明

图1为1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯的核磁共振氢谱图；

图2为{[镉(1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯)(5-甲基-间苯二甲酸基)(水)]·水·乙腈}_n中心金属镉的配位模式图；

图3为{[镉(1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯)(5-甲基-间苯二甲酸基)(水)]·水·乙腈}_n的晶体结构图；

图4为{[镉(1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯)(5-甲基-间苯二甲酸基)(水)]·水·乙腈}_n的拓扑结构图；

图5为甲基橙的降解规律曲线图。

具体实施方式

本发明非限定实施例叙述为下：

1,4-二溴-2-丁烯、甲醇钠、5-甲基-间苯二甲酸均从上海百灵威化学技术有限公司购置，甲基橙、1,2,4-三氮唑、乙腈、二氯甲烷、无水甲醇、四水合硝酸镉从国药集团化学试剂有限公司购置。

1、1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯制备

在氮气气氛中，将1,2,4-三氮唑2.76g(40mmol)溶解在40mL的无水甲醇中，将稍过量甲醇钠2.59g(48mmol)的甲醇溶液(30mL)滴加到上述的溶液中，不断搅拌，10分钟后，滴加1,4-二溴-2-丁烯4.28g(20mmol)的甲醇(30mL)溶液，然后于80℃反应3天，反应结束后，过滤，收集滤液，将滤液用旋转蒸发仪将溶剂蒸干，可得黄色的粗产品，用40mL二氯甲烷重结晶，得淡黄色的固体2.70g，收率71％。

对1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯进行了元素分析、核磁共振氢谱的表征。结果如下：

元素分析(C₈H₁₀N₆)：理论值(％):C,50.52；H,5.30；N,44.18；实验值(％):C,50.25；H,5.51；N,44.12.

¹H NMR(400MHz,DMSO-d₆,298K):δ8.08(s,2H),7.94(s,2H),5.87(s,2H),4.82(d,J＝4.0Hz,4H)。见图1。

2、镉配位聚合物的制备

将1,4-二(1,2,4-三氮唑)-2-丁烯1.90g(10mmol)、四水合硝酸镉3.08g(10mmol)、5-甲基-间苯二甲酸1.80g(10mmol)、去离子水80mL及乙腈5mL加入到150mL反应釜中，于175℃恒温反应50小时，然后缓慢降至室温，可得镉配位聚合物的晶体4.58g，收率82％。

元素分析(C₁₉H₂₃N₇O₆Cd)：理论值(％):C,40.91；H,4.16；N,17.58；实验值(％):C,40.83；H,4.21；N,17.72。

镉配位聚合物的晶体学参数：C₁₉H₂₃N₇O₆Cd,M_r＝557.85,triclinic,space group

,a＝10.179(2)

b＝11.165(2)

c＝11.797(2)

α＝76.54(3)°,β＝67.94(3)°,γ＝79.48(3)°,V＝1201.7(5)

Z＝2,D_c＝1.542g cm^-3,μ＝0.956mm^-1,12592reflectionsmeasured,4386unique reflections(R_int＝0.0405),4145observed reflections(I>2σ(I)),300parameters,R₁＝0.0365,wR₂＝0.1008,S＝1.033.

镉配位聚合物中金属镉的配位模式图见图2；

镉配位聚合物的X-射线单晶结构图见图3；

镉配位聚合物的拓扑结构图见图4。

3、光催化降解染料甲基橙

将0.20g的甲基橙溶解在1L的水中配制成甲基橙溶液，浓度为0.20g/L。

取50mL刚配制的甲基橙溶液于100mL烧杯中，加入5mg镉配位聚合物粉末，用功率为200W的高压汞灯作为光源照射溶液，并不断搅拌。每隔60分钟取样1mL，离心，并在容量瓶里稀释至10mL，经紫外可见分光光度计检测发现：甲基橙的浓度不断降低，6小时后甲基橙基本降解完全，见图5。降解后的无色溶液用乙酸乙酯萃取，有机相通过气相色谱分析后未发现有机物的片段，因此，推断所有有机染料分解为CO₂和H₂O。经5次循环后，催化活性未出现明显降低。

4、对比试验

另取一份甲基橙溶液，当不加入任何催化剂时，甲基橙被紫外光照射很长时间后，自身仅能够发生略微的降解。见图5。