CN108912179B - 一种含mnt配体的单核镍配合物作为电催化制氢催化剂的应用 - Google Patents

一种含mnt配体的单核镍配合物作为电催化制氢催化剂的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于催化剂制备领域,具体为一种单核镍配合物作为电催化制氢催化剂的应用,该电催化制氢催化剂为含N‑取代双(二苯基膦基)氨(R‑PNP)和马来腈二硫醇盐(mnt2‑)配体的单核镍配合物,该配合物是由R‑PNP和马来腈二硫醇盐配体与金属镍原子连接而成的一种单核镍配合物,其化学结构如下:
Figure DDA0001710003720000011
该镍配合物在酸性介质表现出高效的电催化制氢活性。本发明的单核镍配合物的合成方法简单、反应条件温和、产率高等优点,可适合于具有催化制氢性能的系列含N‑取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物的合成,在氢能源开发有潜在的应用价值。

Description

一种含mnt配体的单核镍配合物作为电催化制氢催化剂的 应用
技术领域
本发明涉及催化剂制备技术领域,具体为一种由N-取代双(二苯基膦基) 氨(R-PNP)和马来腈二硫醇盐(mnt2-)配体与金属镍原子连接而成的一种金 属配合物作为电催化制氢催化剂的应用。
背景技术
随着社会经济的高速发展,能源危机变得日益突出,因此开发一种具有高 效制氢活性的催化剂变得越来越重要。众所周知,地球上已开发的自然资源基 本上为不可再生的、且常具有一定污染性的资源。而氢能源具有燃烧热值高和 无污染的特点,致使氢能源的开发格外受到各国政府和科学家们的高度重视。 制氢途径主要包括化石燃料裂解、水电解和生物制氢。生物制氢是利用微生物 体内存在的一种生物酶所进行的制氢。氢化酶作为微生物体内一种能够高效可 逆催化氢气氧化和质子还原的金属蛋白酶,氢化酶可分为[铁铁]氢化酶、[镍铁] 氢化酶和单金属氢化酶,它们具有高效、绿色、能耗低、污染小的特点。单金 属氢化酶具有合成方法简单、成本相对较低的优点,为此人们开展了作为氢化 酶模型物的单核镍配合物的研究。单核镍配合物通常含有螯合双齿配体(如双 膦(P∩P)、双氮(N∩N)或氮膦(N∩P)化合物等(S.A.Burgess,A.J.Kendall,D.R. Tyler,etal.Hydrogenation of CO2in water usinga bis(diphosphine)Ni-H complex. ACSCatal.,2017,7(4):3089-3096.A.Jain,M.L.Reback,M.L.Lindstrom,et al.Investigatingthe role of the outer-coordination sphere in[Ni(P(Ph)2N(PhR)2)2]2+hydrogenase mimics.Inorg.Chem.,2012,51(12):6592-6602;J.Wenz,A.Kochan,H.Wadepohl,et al.A readily accessible chiral NNN pincer ligand with a pyrrolebackbone and its Ni(II)chemistry:Syntheses,structural chemistry,and bondactivations.Inorg. Chem.,2017,56(6):3631-3643;P.Hao,S.J.Song,T.P.F.Xiao,etal.Highly active 8- benzoxazolyl-or 8-benzo-thiazolyl-2-alkylquinolinylnickel(II)complexes for ethylene dimeriza-tion and vinyl polymerization ofnorbornene.Polyhedron,2013,52:1138-1144; G.C.Stephan,C.Nather,C.Sivasankar,etal.Mo–and W–N2and–CO complexes with novel mixed P/N ligands:Structuralproperties and implications to synthetic nitrogen fixation.Inorg.Chim.Acta,2008,361:1008-1019;P.W.Dyer,J.Fawcett,M.J. Hanton.Rigid N-phosphino guanidineP,N ligands and their use in nickel-catalyzed ethyleneoligomerization.Organometal.,2008,27(19):5082-5087;Z.Guan,W.J.Marshall.Synthesis of new phosphine imine ligands and their effects on thethermal stability of late-transition-metal olefin polymerizationcatalysts.Organometal.,2002, 21(17):3580-3586)。这些螯合配体所形成的过渡金属配合物常作为烯烃齐聚化 反应和聚合反应的高效的催化剂,近来发现部分单核镍配合物还具有催化质子 还原制氢活性。
N-取代双(二苯基膦基)氨(R-PNP)是一类新颖的氮杂螯合双膦配体,通 过引入硫醇盐或二硫醇盐配体,可用于混合配体的单核金属配合物和双核金属 配合物的合成(X.F.Liu,X.Li,J.Yan.Synthetic and structural studies of the mononuclearnickel(II)ethanedithiolate complexes with chelating N-substituted bis(diphenylphosphanyl)amine.Polyhedron,2015,85:482-487;X.F.Liu.Condensationreactions of the mononuclear nickel(II)complexes[RN(PPh2)2]NiCl2with 1,2-ethanedithiol or 1,3-propanedithiol.Inorg.Chim.Acta,2014,421:10-17;L.C.Song,J.P. Li,Z.J.Xie,et al.Synthesis,structural characterization,andelectrochemical properties of dinuclear Ni/Mn model complexes for active siteof[NiFe]-hydrogenases.Inorg.Chem.,2013,52(19):11618-11626),但这些金属配合物的催化制氢性能研究相对 较少,Gan等研究发现:含1,2-双(二苯基膦乙烷)和邻苯二硫酚盐配体的单核 镍配合物(dppe)Ni(bdt)无论是在醋酸还是在对甲苯磺酸介质中均没有电催化制氢 活性(L.Gan,T.L.Groy,P.Tarakeshwar,et al,A nickel phsphine complex as afast and efficient hydrogen production catalyst.J.Am.Chem.Soc.,2015,137(3),1109- 1115)。
具有离域化π电子系统的马来腈二硫醇盐是一类配位能力非常强的双齿二 硫醇盐配体,其均配型金属配合物(R4N)m[M(mnt)2]n具有良好的光学、电学和磁 学特性,对它们的研究十分活跃。最近Peng等发现马来腈二硫醇盐的异构体2,2- 二氰基乙烯-1,1-二硫醇盐(i-mnt2-)的单核镍的均配型配合物[BzPyN(CH3)2]2[Ni(i- mnt)2]在水中可作为光催化和电催化制氢催化剂(Q.-X.Peng,D.Xue,S.-Z.Zhan,et al.Visible-light-drivenphotocatalytic system based on a nickel complex over CdS materials forhydrogen production from water.Appl.Catal.B:Environm.,2017,219, 353-361)。
开发出具有催化制氢性能的合成方法简便、反应条件温和的单核金属氢 化酶模型物配合物对缓解日益严重的能源危机具有重要的现实意义。本发明 的含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍混配型配合物 (R-PNP)Ni(mnt)未见报道,它们具有高效的电催化制氢活性。
发明内容
本发明基于以上技术问题,提供一种由N-取代双(二苯基膦基)氨(R- PNP)和马来腈二硫醇盐(mnt2-)配体与金属镍原子连接而成的一种金属配合 物以及其作为电催化制氢催化剂的应用。该合成方法简便、产率高,其可作为 电催化制氢催化剂,在氢能源开发领域有潜在的工业应用价值。
本发明的具体技术方案如下:
一种含N-取代双(二苯基膦基)氨配体和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配 合物,它是由N-取代双(二苯基膦基)氨配体和马来腈二硫醇盐配体与金属镍原 子连接而成的一种单核镍配合物,其化学结构式如下:
Figure BDA0001710003700000041
该单核镍配合物的合成方法为:
1)将R-N(PPh2)2NiCl2和Na2mnt与有机溶剂混合,在20-40℃下搅拌反应 1-3小时,得橙红色溶液;所述有机溶剂为三氯甲烷或二氯甲烷,R- N(PPh2)2NiCl2、Na2mnt和有机溶剂的用量比为:1mmol:1mmol:20-30mL。
2)采用旋转蒸发仪减压除去溶剂,用二氯甲烷溶解,以二氯甲烷和甲醇 的混合溶剂作展开剂进行薄层色谱分离,收集橙红色带,洗脱后得橙红色的单 核镍配合物。
所述展开剂二氯甲烷和甲醇的体积比例为10:1-20:1和1:0,薄层色谱 分离所需硅胶板的规格为26×20×0.25cm3
合成的反应式为:
Figure BDA0001710003700000042
R=CH2CH2CH2OCH3,CH2CH2CH2SCH3,CH(CH3)Ph,CH2CH2CH(CH3)2,C6H4CH3-p。
本发明的积极效果体现在:
(一)现已公开的单核镍配合物与本发明的单核镍配合物的结构不同,本 发明所制备的单核镍配合物为混配型新化合物。
(二)本发明的合成方法简单、反应条件温和、合成产率高,适合于多种 含R-PNP和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物的合成。
(三)本发明的单核镍配合物,在醋酸、三氟乙酸和对甲苯磺酸酸性介质 中分别具有催化还原质子制氢的性能,因此本发明的单核镍配合物具有潜在的 工业应用价值。
附图说明
图1为实施例1中的(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)的核磁共振氢谱;
图2为实施例1中的(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)的核磁共振碳谱;
图3为实施例1中的(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)的核磁共振磷谱;
图4为实施例6中的(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)添加醋酸的循环伏安 图;
图5为实施例7中的(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)添加三氟乙酸的循环伏 安图;
图6为实施例8中的(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)添加对甲苯磺酸的循环 伏安图;
具体实施方式
下面结合具体实施例和比较例进一步阐述本发明。应理解为,这些实施例 仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为,在阅读了本发 明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等 价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1:
一种含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物, 所述单核镍配合物的化学式为(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt),反应方程式如下:
Figure BDA0001710003700000061
所述的含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物的合成方法如下:
在装有磁力搅拌子的圆底烧瓶中,将0.1860g Na2mnt(1mmol)、0.5870g (CH3O(CH2)3N(PPh2)2)NiCl2(1mmol)和20mL二氯甲烷混合,在室温下搅拌反 应3小时,得橙红色溶液。用2×20mL水洗除去NaCl,无水MgSO4干燥,旋 转蒸发仪减压除去有机溶剂,用适量二氯甲烷溶解,以体积比为10:1的二氯甲 烷:甲醇作展开剂进行薄层色谱分离,收集橙红色带,洗脱后得0.5738g,产率 88%。1H NMR(400MHz,CDCl3):1.31-1.37(m,2H,CH2),2.93(t,J=6.0Hz,2H, CH2N),3.00-3.10(m,5H,CH3OCH2),7.52(t,J=8.0Hz,8H,m-PhH),7.62(t,J=6.0Hz, 4H,p-PhH),7.76-7.81(q,J=6.0Hz,8H,o-PhH)ppm.13C NMR(100.6MHz,CDCl3):29.82(s,CH2),46.15(t,J=9.1Hz,CH2N),58.73(s,OCH3),69.32(s,OCH2),116.47(s, SC=CS),126.62(t,4JP-C=11.6Hz,p-PhC),128.81(t,3JP-C=24.6Hz,m-PhC).129.59(t, 2JP-C=5.5Hz,o-PhC).133.04(t,1JP-C=6.0Hz,i-PhC).133.34(s,CN)ppm.31P NMR (161.9MHz,CDCl3,85%H3PO4):58.32(s,P,NP2)ppm。其核磁共振谱图见图1-图 3所示。
实施例2:
一种含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物, 所述单核镍配合物的化学式为(CH3S(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt),其化学结构式如 下:
Figure BDA0001710003700000071
所述的含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物的合成方法如下:
在装有磁力搅拌子的圆底烧瓶中,将0.1860g Na2mnt(1mmol)、0.6030g (CH3S(CH2)3N(PPh2)2)NiCl2(1mmol)和20mL二氯甲烷混合,在室温下搅拌反应 3小时,得橙红色溶液。用2×20mL水洗除去NaCl,无水MgSO4干燥,旋转 蒸发仪减压去除有机溶剂,用适量二氯甲烷溶解,以20:1的二氯甲烷和甲醇混 合液作展开剂进行薄层色谱分离,收集橙红色带,洗脱后得0.6365g,产率 95%。
实施例3:
一种含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物, 所述单核镍配合物的化学式为(CH3CHPhN(PPh2)2)Ni(mnt),其化学结构式如 下:
Figure BDA0001710003700000072
所述的含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物的合成方法如下:
在装有磁力搅拌子的圆底烧瓶中,将0.1860g Na2mnt(1mmol)、0.6190g (CH3CHPhN(PPh2)2)NiCl2(1mmol)和20mL三氯甲烷混合,在室温下搅拌反应3 小时,得橙红色溶液。用2×20mL水洗除去NaCl,无水MgSO4干燥,旋转蒸 发仪减压去除有机溶剂,用适量二氯甲烷溶解,以10:1的二氯甲烷和甲醇混合 液作展开剂进行薄层色谱分离,收集橙红色带,洗脱后得0.6117g,产率 89%。
实施例4:
一种含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物, 所述单核镍配合物的化学式为(CH3)2CH(CH2)2N(PPh2)2)Ni(mnt),其化学结构式 如下:
Figure BDA0001710003700000081
所述的含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物的合成方法如下:
在装有磁力搅拌子的圆底烧瓶中,将0.1860g Na2mnt(1mmol)、0.5840g (CH3)2CH(CH2)2N(PPh2)2)NiCl2(1mmol)和20mL二氯甲烷混合,在室温下搅拌反 应3小时,得橙红色溶液。用2×20mL水洗除去NaCl,无水MgSO4干燥,旋 转蒸发仪减压去除有机溶剂,用适量二氯甲烷溶解,以二氯甲烷:甲醇=12:1 作展开剂进行薄层色谱分离,收集橙红色带,洗脱后得0.5548g,产率85%。
实施例5:
一种含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物, 所述单核镍配合物的化学式为(p-CH3-PhN(PPh2)2)Ni(mnt),其化学结构式如下:
Figure BDA0001710003700000082
所述的含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物的合成方法如下:
在装有磁力搅拌子的圆底烧瓶中,将0.1860g Na2mnt(1mmol)、0.6050g(p- CH3-PhN(PPh2)2)NiCl2(1mmol)和20mL二氯甲烷混合,在室温下搅拌反应3小 时,得橙红色溶液。用2×20mL水洗除去NaCl,无水MgSO4干燥,旋转蒸发 仪减压去除有机溶剂,用适量二氯甲烷溶解,以二氯甲烷作展开剂进行薄层色 谱分离,收集橙红色带,洗脱后得0.5825g,产率87%。
实施例6:
本实施例提供了单核镍配合物(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)在醋酸介质中电 催化还原质子制氢的应用,其电催化制氢活性测试步骤如下:
1)将3.3mg(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)(0.005mmol)放置于电解槽中,加 入5mL支持电解质溶液(0.1mol/L n-Bu4NPF6/CH3CN)。待完全溶解后,将直 径3mm的玻碳电极(工作电极)、铂丝电极(辅助电极)和银丝电极(参比电 极)放置于电解槽中,连接好三电极,打开测试软件,检查电化学工作站;
2)向溶液中通入氮气赶走空气,设置好电化学工作站参数,在室温下测 试单核配合物的循环伏安;
3)在上述测试后的溶液中分别加入2mmol、4mmol、6mmol、8mmol和 10mmol醋酸后,再分别测试单核配合物的循环伏安,其测试结果见图4所 示。
由图4可知,本发明的单核镍配合物(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)在醋酸介 质中具有良好的电催化还原质子制氢的活性。
实施例7:
本实施例提供了单核镍配合物(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)在三氟乙酸介 质中电催化还原质子制氢的应用,其电催化制氢活性测试步骤如下:
1)将3.3mg(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)(0.005mmol)放置于电解槽中,加 入5mL(0.1mol/mL n-Bu4NPF6/CH3CN)支持电解质溶液。将直径3mm的玻碳 电极(工作电极)、铂丝电极(辅助电极)和银丝电极(参比电极)放置入电 解槽中,连接好三电极,打开测试软件,检查电化学工作站;
2)向溶液中通入氮气赶走空气,设置好电化学工作站参数,在室温下测 试单核配合物的循环伏安;
3)在上述测试后的溶液中分别加入5mmol、10mmol、15mmol、20mmol和 25mmol三氟乙酸后,再分别测试单核配合物的循环伏安,其测试结果见图5 所示。
由图5可知,本发明的单核镍配合物(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)在三氟乙 酸介质中具有高效的电催化还原质子制氢的活性。
实施例8:
本实施例提供了单核镍配合物(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)在对甲苯磺酸介 质中电催化还原质子制氢的应用,其电催化制氢活性测试步骤如下:
1)将3.3mg(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)(0.005mmol)放置于电解槽中, 加入5mL(0.1mol/mL n-Bu4NPF6/CH3CN)支持电解质溶液,将直径3mm的玻 碳电极(工作电极)、铂丝电极(辅助电极)和银丝电极(参比电极)放置入 电解槽中,连接好三电极,打开测试软件,检查电化学工作站;
2)向溶液中通入氮气赶走空气,设置好电化学工作站参数,在室温下测 试单核配合物的循环伏安;
3)在上述测试后的溶液中分别加入含2mmol、4mmol、6mmol、8mmol和 10mmol对甲苯磺酸的乙腈溶液后,再测试单核配合物的循环伏安,其测试结 果见图6所示。
由图6可知,本发明的单核镍配合物(CH3O(CH2)3N(PPh2)2)Ni(mnt)在对甲 苯磺酸介质中具有高效的电催化还原质子制氢活性。
以上所述实例仅是本专利的优选实施方式,但本专利的保护范围并不局限 于此。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本专利原理 的前提下,根据本专利的技术方案及其专利构思,还可以做出若干改进和润 饰,这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种含N-取代双(二苯基膦基)氨和马来腈二硫醇盐配体的单核镍配合物,其特征在于:该单核镍配合物由R-PNP、马来腈二硫醇盐配体与金属镍原子连接而成,其化学结构如下:
Figure FDA0002385150940000011
其中,R为3-甲氧基丙基、3-甲硫基丙基、1-苯乙基、异戊基或对甲苯基;该单核镍配合物作为电催化制氢催化剂,电催化制氢的酸性介质为醋酸、三氟乙酸或对甲苯磺酸。
2.如权利要求1所述单核镍配合物的合成方法,其特征在于包括以下步骤:1)将R-N(PPh2)2NiCl2和Na2mnt与有机溶剂混合,在20-40℃下搅拌反应1-3小时,得橙红色溶液;2)采用旋转蒸发仪减压除去溶剂,用二氯甲烷溶解,以二氯甲烷和甲醇的混合溶剂作展开剂进行薄层色谱分离,收集橙红色带,洗脱后得橙红色的单核镍配合物;所述的有机溶剂为三氯甲烷或二氯甲烷,R-N(PPh2)2NiCl2、Na2mnt和有机溶剂的用量比为:1mmol:1mmol:20-30mL;所述的展开剂为二氯甲烷和甲醇的体积比例为10:1-20:1或1:0,薄层色谱分离所需硅胶板的规格为26×20×0.25cm3
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