CN108794760B - 一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物及其制备方法 - Google Patents

一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含有9‑芴酮‑4‑羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物，该聚合物为先通过4,4’‑联吡啶连接形成一链状结构，在通过π‑π堆积作用形成二维超分子层，二维层进一步通过π‑π堆积作用形成三维超分子结构的绿色荧光材料，其分子式为C38H24CdN2O7，化学式为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n，其中FDC为脱去氢质子的9‑芴酮‑4‑羧酸，bpy为4,4'‑联吡啶。同时，本发明还公开了该聚合物的制备方法。本发明水稳性良好。

Description

一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种荧光材料，尤其涉及一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物及其制备方法。
背景技术
近十几年新兴的金属有机框架材料具有很多特殊的优异性能，如开放性的孔道结构、比表面积大、良好的可设计模块式构造特点以及方便剪裁、易后修饰等，已经在气体吸附、分离、催化、发光、储能、生物医疗等诸多领域展现出应用价值(Furukawa H., CordovaK. E., O'Keeffe M., Yaghi O. M., ChemInform Abstract: The Chemistry andApplications of Metal-Organic Frameworks, Science, 2013, 44(45):974)。通过设计或选择合适的配体，与特定结构的金属中心进行自组装，从而实现设计与合成具有特定功能的金属有机框架材料。近年来，研究者利用自组装和晶体工程战略，特别是有机芳香羧酸配体与金属离子组装得到了大量的金属有机骨架化合物。芳香羧酸配体由于羧基配位模式多样化、对称性较高、刚性好，利于得到结构稳定并且丰富新颖的金属-有机框架的金属有机框架材料(Wu Y., Feng J., Xie B., Li Y. L., Li Z. Q., An extremely stable 2DZinc(II) coordination polymer exhibiting high sensing ability andphotocatalytic degradation activities of dyes, Journal of Inorganic & Organometallic Polymers & Materials, 2017: 1-9)。众多有机芳香化合物中，有机芴类化合物作为一类具有刚性平面联苯结构的材料，由于具有较宽的带隙、稳定的共轭链长、良好的电荷传输能力、较高光热稳定性、高固态荧光量子效率、较高的热稳定性等优点，而备受关注。同时，芴本身是煤焦油分离产品之一，产量大价格低廉，原料易得。并且，有机芴分子内具有较大的共轭体系，可以通过在2位、7位以及9位碳上引入多种不同的官能团来得到一系列衍生物，在结构上具有较大的可修饰性（Zou L. F., Feng D. W., Liu T. F.,Chen Y. P., Yuan S., Wang K. C., Wang X., Fordham S., Zhou H. C., A versatilesynthetic route for the preparation of titanium metal-organic frameworks,Chemical Science, 2015, 7(2): 1063-1069）。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水稳性良好的含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物，其特征在于：该聚合物为先通过4,4’-联吡啶连接形成一链状结构，在通过π-π堆积作用形成二维超分子层，二维层进一步通过π-π堆积作用形成三维超分子结构的绿色荧光材料，其分子式为C38H24CdN2O7，化学式为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n，其中FDC为脱去氢质子的9-芴酮-4-羧酸，bpy为4,4'-联吡啶。
如上所述的一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法，包括以下步骤：
⑴将Cd(NO3)2·4H2O、9-芴酮-4-羧酸、4,4’-联吡啶和水按0.1 ~0.3 mmol：0.1~0.3 mmol：0.1 ~0.3 mmol：10 ~16 mL比例混合后，于室温下搅拌2~4小时，得到混合物；
⑵所述混合物经碱溶液调pH值至6~8后，装入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，填充度为25~80%，密封，并将其放入130~145℃烘箱内，在自身压力作用下，加热晶化3~5天；关闭烘箱电源，逐渐冷却至室温，打开反应釜即得到淡黄色的块状晶体；
⑶所述淡黄色的块状晶体经蒸馏水洗涤2~3次后，于常温下干燥3~6h，即可得到含9-芴酮-4-羧酸和4,4’-联吡啶混合配体的三维镉配位聚合物。
所述步骤⑵中碱溶液是指浓度为2 mol/L的氢氧化钾溶液。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明所得产物属于单斜晶系，空间群为Cc，晶胞参数为：a = 15.3269(13) Å，b = 17.7429(14) Å，c = 13.1571(9) Å，α = γ = 90°，β= 122.252(2)°，不对称单元中含有一个镉离子、两个脱氢的9-芴酮-4-羧酸、一个4,4’-联吡啶和一个配位水分子（参见图1）。
本发明所得产物经法国塞特拉姆Setsys 16进行热稳定性能进行分析（参见图4），可以看出，该化合物的热重曲线表现出两步失重过程。第一步失重发生在120℃时，对应于失去一个配位水分子；第二步失重发生在350℃时，对应于有机配体9-芴酮-4-羧酸的失去，至800℃时，骨架完全塌陷。
本发明所得产物经日立F-7000荧光分光光度计测定，在494nm处有强发射峰，能发出绿光（参见图5）。
2、本发明采用水热合成法获得，所得目标产物发绿色光，具有很好的水稳定性，这一点较大多数已有的荧光材料更为优越；且可以在空气中长时间放置不变质，可应用于有机发光材料制备领域。
3、本发明合成反应对环境友好，简单易行，成本低，所得产物产率在40%左右，易于大规模工业化生产。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1所得含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的晶体结构中金属Cd的配位环境图。
图2为本发明实施例1所得含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的三维超分子结构图。
图3为本发明实施例1所得含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的红外光谱图。
图4为本发明实施例1所得含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物在空气气氛中的热重分析曲线图。
图5为本发明实施例1所得含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物在366 nm的入射光激发后的固态荧光发射光谱图。
具体实施方式
一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物，该聚合物为先通过4,4’-联吡啶连接形成一链状结构，在通过π-π堆积作用形成二维超分子层，二维层进一步通过π-π堆积作用形成三维超分子结构的绿色荧光材料，其分子式为C38H24CdN2O7，化学式为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n，其中FDC为脱去氢质子的9-芴酮-4-羧酸，bpy为4,4'-联吡啶。
实施例1 一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法，包括以下步骤：
⑴将Cd(NO3)2·4H2O、9-芴酮-4-羧酸、4,4’-联吡啶和水按0.1 mmol：0.1 mmol：0.1 mmol：12 mL比例混合后，于室温下搅拌3小时，得到混合物；
⑵混合物经浓度为2 mol/L的氢氧化钾溶液调pH值至8后，装入25 mL带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，填充度为80%，密封，并将其放入130℃烘箱内，在自身压力作用下，加热晶化3天；关闭烘箱电源，逐渐冷却至室温，打开反应釜即得到淡黄色的块状晶体；
⑶淡黄色的块状晶体经蒸馏水洗涤3次后，于常温下干燥3h，即可得到含9-芴酮-4-羧酸和4,4’-联吡啶混合配体的三维镉配位聚合物。其产率为40%。
所得晶体在Siemens SMART CCD衍射仪上，用石墨单色化的钼靶MoKα射线 (λ =0.71073 Å)，以ω扫描方式在293（2）K温度下收集衍射数据。单晶结构解析用SHELXTL-97程序完成。利用直接法确定金属原子位置，然后用差值函数法和最小二乘法求出全部非氢原子坐标，并且对非氢原子进行各向异性修正，得到该发明的配位聚合物荧光材料的结构为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n。图1~2为根据测定结果由常用晶体作图软件作出的结构图。图3为该配位聚合物用KBr压片，在400~4000 cm-1范围内使用Bruker Tensor 27红外光谱仪测得的红外光谱图。表1为该配位聚合物的主要晶体学数据。
表1
Figure 619335DEST_PATH_IMAGE001
实施例2 一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法，包括以下步骤：
⑴将Cd(NO3)2·4H2O、9-芴酮-4-羧酸、4,4’-联吡啶和水按0.15 mmol：0.15 mmol：0.15 mmol：15 mL比例混合后，于室温下搅拌3小时，得到混合物；
⑵混合物经浓度为2 mol/L的氢氧化钾溶液调pH值至6后，装入25 mL带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，填充度为60%，密封，并将其放入140℃烘箱内，在自身压力作用下，加热晶化4天；关闭烘箱电源，逐渐冷却至室温，打开反应釜即得到淡黄色的块状晶体；
⑶淡黄色的块状晶体经蒸馏水洗涤3次后，于常温下干燥6h，即可得到含9-芴酮-4-羧酸和4,4’-联吡啶混合配体的三维镉配位聚合物。其产率为35%。
所得晶体在Siemens SMART CCD衍射仪上，用石墨单色化的钼靶MoKα射线 (λ =0.71073 Å)，以ω扫描方式在293（2）K温度下收集衍射数据。单晶结构解析用SHELXTL-97程序完成。利用直接法确定金属原子位置，然后用差值函数法和最小二乘法求出全部非氢原子坐标，并且对非氢原子进行各向异性修正，得到该发明的配位聚合物荧光材料的结构为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n。该配位聚合物的主要晶体学数据和红外光谱图同实施例1。
实施例3 一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法，包括以下步骤：
⑴将Cd(NO3)2·4H2O、9-芴酮-4-羧酸、4,4’-联吡啶和水按0.1 mmol：0.2 mmol：0.2 mmol：16 mL比例混合后，于室温下搅拌3小时，得到混合物；
⑵混合物经浓度为2 mol/L的氢氧化钾溶液调pH值至7后，装入25 mL带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，填充度为64%，密封，并将其放入140℃烘箱内，在自身压力作用下，加热晶化5天；关闭烘箱电源，逐渐冷却至室温，打开反应釜即得到淡黄色的块状晶体；
⑶淡黄色的块状晶体经蒸馏水洗涤3次后，于常温下干燥4h，即可得到含9-芴酮-4-羧酸和4,4’-联吡啶混合配体的三维镉配位聚合物。其产率为32%。
所得晶体在Siemens SMART CCD衍射仪上，用石墨单色化的钼靶MoKα射线 (λ =0.71073 Å)，以ω扫描方式在293（2）K温度下收集衍射数据。单晶结构解析用SHELXTL-97程序完成。利用直接法确定金属原子位置，然后用差值函数法和最小二乘法求出全部非氢原子坐标，并且对非氢原子进行各向异性修正，得到该发明的配位聚合物荧光材料的结构为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n。该配位聚合物的主要晶体学数据和红外光谱图同实施例1。
实施例4 一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法，包括以下步骤：
⑴将Cd(NO3)2·4H2O、9-芴酮-4-羧酸、4,4’-联吡啶和水按0.3 mmol：0.3 mmol：0.3 mmol：15 mL比例混合后，于室温下搅拌2小时，得到混合物；
⑵混合物经浓度为2 mol/L的氢氧化钾溶液调pH值至7后，装入25 mL带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，填充度为60%，密封，并将其放入145℃烘箱内，在自身压力作用下，加热晶化3天；关闭烘箱电源，逐渐冷却至室温，打开反应釜即得到淡黄色的块状晶体；
⑶淡黄色的块状晶体经蒸馏水洗涤2次后，于常温下干燥6h，即可得到含9-芴酮-4-羧酸和4,4’-联吡啶混合配体的三维镉配位聚合物。其产率为30%。
所得晶体在Siemens SMART CCD衍射仪上，用石墨单色化的钼靶MoKα射线 (λ =0.71073 Å)，以ω扫描方式在293（2）K温度下收集衍射数据。单晶结构解析用SHELXTL-97程序完成。利用直接法确定金属原子位置，然后用差值函数法和最小二乘法求出全部非氢原子坐标，并且对非氢原子进行各向异性修正，得到该发明的配位聚合物荧光材料的结构为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n。该配位聚合物的主要晶体学数据和红外光谱图同实施例1。
实施例5 一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法，包括以下步骤：
⑴将Cd(NO3)2·4H2O、9-芴酮-4-羧酸、4,4’-联吡啶和水按0.1 mmol：0.2 mmol：0.2 mmol：10 mL比例混合后，于室温下搅拌4小时，得到混合物；
⑵混合物经浓度为2 mol/L的氢氧化钾溶液调pH值至7后，装入25 mL带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，填充度为25%，密封，并将其放入135℃烘箱内，在自身压力作用下，加热晶化4天；关闭烘箱电源，逐渐冷却至室温，打开反应釜即得到淡黄色的块状晶体；
⑶淡黄色的块状晶体经蒸馏水洗涤3次后，于常温下干燥4h，即可得到含9-芴酮-4-羧酸和4,4’-联吡啶混合配体的三维镉配位聚合物。其产率为45%。
所得晶体在Siemens SMART CCD衍射仪上，用石墨单色化的钼靶MoKα射线 (λ =0.71073 Å)，以ω扫描方式在293（2）K温度下收集衍射数据。单晶结构解析用SHELXTL-97程序完成。利用直接法确定金属原子位置，然后用差值函数法和最小二乘法求出全部非氢原子坐标，并且对非氢原子进行各向异性修正，得到该发明的配位聚合物荧光材料的结构为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n。该配位聚合物的主要晶体学数据和红外光谱图同实施例1。

Claims (3)

1.一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物，其特征在于：该聚合物为先通过4,4’-联吡啶连接形成一链状结构，在通过π-π堆积作用形成二维超分子层，二维层进一步通过π-π堆积作用形成三维超分子结构的绿色荧光材料，其分子式为C38H24CdN2O7，化学式为[Cd(FDC)2(bpy)(H2O)]n，其中FDC为脱去氢质子的9-芴酮-4-羧酸，bpy为4,4'-联吡啶。
2.如权利要求1所述的一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法，包括以下步骤：
⑴将Cd(NO3)2·4H2O、9-芴酮-4-羧酸、4,4’-联吡啶和水按0.1 ~0.3 mmol：0.1~0.3mmol：0.1 ~0.3 mmol：10 ~16 mL比例混合后，于室温下搅拌2~4小时，得到混合物；
⑵所述混合物经碱溶液调pH值至6~8后，装入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，填充度为25~80%，密封，并将其放入130~145℃烘箱内，在自身压力作用下，加热晶化3~5天；关闭烘箱电源，逐渐冷却至室温，打开反应釜即得到淡黄色的块状晶体；
⑶所述淡黄色的块状晶体经蒸馏水洗涤2~3次后，于常温下干燥3~6h，即可得到含9-芴酮-4-羧酸和4,4’-联吡啶混合配体的三维镉配位聚合物。
3.如权利要求2所述的一种含有9-芴酮-4-羧酸的Cd(Ⅱ)配位聚合物的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中碱溶液是指浓度为2 mol/L的氢氧化钾溶液。
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