CN108929442B - 基于刚性三酸配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸的金属有机化合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于刚性三酸配体对三联苯‑3,4″,5‑三羧酸的金属有机化合物及其制备方法和应用,Tb(NO3)3·4H2O和对三联苯‑3,4″,5‑三羧酸在水和N,N‑二甲基甲酰胺的混合体系中搅拌反应,再加入硝酸水溶液后进行水热反应后自然冷却至室温,形成Tb、对三联苯‑3,4″,5‑三羧酸、水和N,N‑二甲基甲酰胺的配合物,该配合物具有纳米孔道,对水环境中刚果红具有吸附/移除效果,吸附过程中水溶液的颜色从澄清亮红色变为接近无色。
Description
技术领域
本发明属于有机合成和金属有机化学技术领域,涉及具有纳米孔道的稀土Tb(III)-三酸配合物的合成,更具体的说是三联苯-3,4″,5-三羧酸的三维Tb(III)纳米多孔配合物的合成及其在刚果红染料分子吸附方面的应用。
背景技术
配位化学是在无机化学基础上发展起来的一门科学,它所研究的主要对象是配位化合物(coordination compounds,简称配合物)。自十九世纪末二十世纪初年轻学者Werner提出了现在常称之为维尔纳配位理论的学说创立配位化学以来,它始终处于无机化学研究的前沿。配位化合物是指独立存在的稳定化合物进一步结合原子或离子而形成的复杂化合物。分子材料的研究是近年最引人注目的一类前沿课题,国际上先进的美、英、德、法等国均将此研究列入各自的高技术发展规划,1995年日本也已将分子材料确定为基础科学先导研究的七项课题之一而予以重点资助。分子材料是指由分子单元组装成的三维物质,这一结构上的特点使我们有可能通过选择适当的分子及不同的组装方式来制备具有特定功能性质的宏观物质。这类配合物兼有无机化合物和有机化合物的特性,由于其组成的复杂性、金属和配体种类的多样性、配位环境的可调性,使之成为分子材料中最具有潜在应用前景的一类体系。近年国外已集此类研究为一门生物、材料、化学交叉的学科,称之为金属配合物材料化学。近年来,随着现代工业的发展,阴离子染料污染物已经成为一个越来越严重的环境问题,例如刚果红等,一直都是化学家们关注的焦点。因为这些阴离子污染物会对人体健康和环境产生严重损害,已经被美国环境保护局列为在世界范围内需要优先处理的环境污染物。由于这些阴离子染料污染物已被广泛应用于冶金,颜料制造,皮革鞣制和木材等领域,制备能够从工业废水中捕获和分离这些阴离子污染物的新型材料是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供基于刚性三酸配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸的金属有机化合物及其制备方法和应用。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现:
基于刚性三酸配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸的金属有机化合物,化学通式为{[Tb(L)(H2O)(DMF)]·DMF}n,以对三联苯-3,4″,5-三羧酸为配体,n代表基本结构单元的重复个数,即基本结构单元化学通式为[Tb(L)(H2O)(DMF)]·DMF,对三联苯-3,4″,5-三羧酸的结构式为:
上述化合物基本结构单元包含一个晶体学上独立的TbIII离子(Tb1),一个完全去质子化的L3-配体(三个羧基均失去活泼氢),一个末端配位的DMF分子和一个末端配位的水分子,以及一个游离态的DMF分子。完全去质子化的L3-配体采用μ7-η1,η1,η2,η1,η1,η1配位模式。所有中心TbIII离子采用九配位几何配位,由来自于五个L3-配体的羧基中七个氧原子(O1,O2A,O3A,O4A,O4B,O5A,O6A),一个末端配位的DMF中的氧原子(O7)和一个末端配位的水分子(O8w)。相邻的TbIII离子通过羧基形成二核Tb2O2簇结构相互连接。这些相邻的二核Tb2O2簇结构通过三联苯基相互连接,形成了一个具有三维结构的纳米多孔的TbIII金属有机骨架。沿晶轴a可以观察到维度为 的一维纳米多孔通道。
上述化合物的制备方法,按照下述步骤进行:
步骤1,称取等摩尔比的Tb(NO3)3·4H2O和对三联苯-3,4″,5-三羧酸均匀分散在由等体积份的高纯水和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂体系中,并加入硝酸水溶液,形成反应溶液体系;硝酸和对三联苯-3,4″,5-三羧酸的摩尔比为(5—6):5;
步骤2,将步骤1制备的反应溶液体系置于水热反应釜中,在140—180摄氏度下保温反应,再自然冷却至室温20—25摄氏度。
在上述技术方案中,降至室温后,用水和乙醚将所得的无色块状晶体洗涤数次,以清除杂质和尚未反应的原料。
在上述技术方案中,在步骤2中,在160—180摄氏度下保温反应10—12小时。
在上述技术方案中,在步骤1中,采用机械搅拌实现均匀分散,搅拌速度为100—200转/min。
在上述技术方案中,在步骤1中,相对于Tb(NO3)3·4H2O和对三联苯-3,4″,5-三羧酸,高纯水和N,N-二甲基甲酰胺的用量为过量,为反应提供溶剂氛围和配位分子。
本发明的基于刚性三酸配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸的金属有机化合物,作为金属有机配合物,具有多孔结构,且表现出巨大的溶剂分子孔洞。配合物对水溶液中的刚果红染料具有好的吸附/移除效果,吸附过程中水溶液的颜色从澄清亮红色变为几乎无色,表明了刚果红染料已经被有效吸附到三维Tb(III)配合物中,吸附量平均可达635—640mg/g(for Congo Red刚果红),即每g配合物吸附的刚果红的质量(mg)。本发明的配合物主要应用于水环境中阴离子染料(刚果红染料)吸附方面,其在水环境污染物的治理方面有一个广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明金属有机化合物的化学结构示意图,不含游离态DMF。
图2是本发明金属有机化合物的三维纳米微孔结构示意图。
图3是本发明金属有机化合物在水环境中去除刚果红的实验测试曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。下述实施例所使用的化学试剂为分析纯,高纯水购自杭州娃哈哈纯净水公司,四水合硝酸铽(Tb(NO3)3·4H2O)、对三联苯-3,4″,5-三羧酸(L)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、硝酸、乙醚购自百灵威试剂公司,所需的阴离子盐:NaNO2,NaNO3,NaAc,NaF,NaCl,NaBr,NaI,Na2SO4,NaSCN,NaClO4,NaIO3和有机溶剂:甲醇,乙醇,异丙醇,N,N-二甲基乙酰胺,二甲基亚砜,甲基吡咯烷酮,乙腈,乙酸乙酯,甲醛,苯甲醇,苯甲醛均购于天津市光复精细化工研究所。
另外需要加以说明的是:所有的实验操作运用Schlenk技术,溶剂经过标准流程纯化。所有用于合成和分析的试剂都是分析纯,并没有经过进一步的处理。熔点通过Boetius区截机测定。1H NMR谱通过汞变量Vx300分光光度计记录,测量区间:300MHz。化学位移,δ,参考国际标准的TMS测定。
基于刚性三酸配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸的Tb(III)稀土簇金属有机骨架材料的合成和测定:金属有机骨架材料的化学通式为:{[Tb(L)(H2O)(DMF)]·DMF}n(在一个单元中,存在两个DMF分子,一个参与配位,一个表现为游离态);该方法以稀土盐Tb(NO3)3·4H2O为稀土源,以对三联苯-3,4″,5-三羧酸为配体,结构式为:
配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸(L)可选择市购,或者按照下述方法进行合成
在5mL DMF中加入二乙基-5-碘间苯二甲酸(348mg,1.0mmol),然后持续加入4-溴苯基硼酸(210mg,1.05mmol),二(氰基苯)二氯化钯(20mg,0.053mmol)和碳酸钾(400mg,2.90mmol),反应在氮气下进行.在80℃下过夜在在氮气下搅拌,加入水让反应停止,利用乙酸乙酯来进行萃取,利用硫酸镁干燥,利用快速柱色谱的方法分理出配体L(302mg,0.80mmol)。1H NMR(300MHz,CDCl3):δ=8.66(t,J=1.5Hz,1H),8.40(d,J=1.5Hz,2H),7.64–7.50(m,4H),4.44(q,J=7.2Hz,4H),1.43(t,J=7.2Hz,6H).13C NMR(75MHz,CDCl3):δ=165.7,140.7,138.2,132.2,131.9,131.8,129.6,128.8,122.6,61.5,14.4。
利用水热法进行合成,具体合成步骤为:称取20.9mg(体系中浓度0.05mmol/L)的Tb(NO3)3·4H2O和8.7mg(体系中浓度0.05mmol/L)的对三联苯-3,4″,5-三羧酸溶于5mL高纯水和5mL N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂体系中搅拌0.5小时,然后加入30μL,2mol/L的硝酸的水溶液。将混合溶液转移至水热反应釜中,在160℃下加热12小时,随后缓慢降温冷却至室温(即自然冷却至室温20—25摄氏度),用水和乙醚将所得的无色块状晶体洗涤数次,基于配体L计算所得的产率为41%。
按照C27H27N2O9Tb计算所得的理论值(%):C 47.51,H 3.98,N 4.10;元素分析结果,实验值(%):C47.93,H 4.12,N 4.52;说明配合物中元素组成基本与理论计算一致。
选取大小为0.20mm×0.18mm×0.17mm的单晶,晶体结构测定使用BRUKER SMART1000CCD型X-射线单晶衍射仪,采用石墨单色器的Mo-Kα辐射作为衍射光源,用扫描方式收集衍射点,在293(2)K温度下,以扫描方式,在1.587°≤θ≤25.00°(-39<=h<=38,-16<=k<=14,-16<=l<=10)范围内,共收集18061个衍射点,其中5607个独立衍射点[I>2σ(I)](Rint=0.0288)。晶体结构由直接法解出,非氢原子由差值Fourier合成法得到,确定和修正氢原子的方法是理论加氢,对氢原子和非氢原子分别采用各向同性和各向异性热参数对结构进行全矩阵最小二乘法修正。洛伦兹偏振和吸收误差均已考虑,晶体结构使用SHELXS-97和SHELXL-97程序用直接法解出,并用全矩阵最小二乘法修正。金属有机骨架材料的主要晶体学数据列于下表所示。
表1稀土簇金属有机骨架材料的晶体学数据
如附图1所示,合成的金属有机骨架配合物属于单斜晶系C2/c空间群,基本结构单元包含一个晶体学上独立的TbIII离子(Tb1),一个完全去质子化的L3-配体(三个羧基均失去活泼氢),一个末端配位的DMF分子和一个末端配位的水分子。完全去质子化的L3-配体采用μ7-η1,η1,η2,η1,η1,η1配位模式。所有中心TbIII离子采用九配位几何配位,由来自于五个L3-配体的羧基中七个氧原子(O1,O2A,O3A,O4A,O4B,O5A,O6A),一个末端配位的DMF中的氧原子(O7)和一个末端配位的水分子(O8w)。所有Tb-O间距离范围从到接近于文献报道的距离。相邻的TbIII离子通过羧基形成二核Tb2O2簇结构相互连接。此外,这些相邻的二核Tb2O2簇结构通过三联苯基相互连接,形成了一个具有三维结构的纳米多孔的TbIII金属有机骨架。如附图2所示,沿晶轴a可以观察到维度为的一维纳米多孔通道。(按照孔洞中两个最近的金属原子距离计算)。多孔配合物表现出巨大的的溶剂分子孔洞(按照platon程序计算参考文献:The accessible void volumewas calculated with the program PLATON by using a probe with a radius ofA.L.Spek,Structure validation in chemical crystallography.Acta Cryst.2009,D65,148.)。
表2配合物的部分键长和键角
将上述制备的基于刚性三酸配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸的Tb(III)稀土簇金属有机骨架材料(具有纳米孔道的稀土Tb(III)-三酸配合物)应用于水环境中刚果红染料的选择性吸附/移除应用。通过紫外分光光度计,分别在水溶液中对该化合物测定吸附刚果红前后的紫外吸收强度,确定对刚果红吸附效果。
所述的刚果红染料分子化学名为:二苯基-4,4'-二(偶氮-2-)-1-氨基萘-4-磺酸钠,分子式为C32H22N6Na2O6S2,为棕红色粉末,溶于水呈黄红色,溶于醇呈橙色。用于作为酸碱指示剂,变色范围为3.5到5.2,碱态为红色,酸态为蓝紫色。
取水热合成的晶态材料(0.1mmol)放置在刚果红(1mg mL-1)的水溶液(10mL)中。摇晃相应的混合物并放在室温下48h,吸附过程由紫外可见光谱测试,刚果红在500nm分别具有明显的吸收,在不同的时间间隔范围内,用移液器吸取0.1mL的溶液,用去离子水稀释到2mL后测量相应溶液的紫外可见峰强度。对于未吸附的阴离子污染物的浓度可以通过以下公式计算:
其中D是使用本发明配合物对于刚果红进行吸附时,刚果红浓度的变化,C0,A0和C1,A1分别是吸附之前和吸附之后刚果红在水溶液中浓度以及吸光度。
结果:多孔配合物表现出巨大的溶剂分子孔洞,配合物对水溶液中的刚果红染料具有好的吸附/移除效果,吸附过程中水溶液的颜色从澄清亮红色变为几乎无色,表明了刚果红染料已经被有效吸附到三维Tb(III)配合物中,吸附量平均可达635—640mg/g(forCongo Red刚果红),即每g配合物吸附的刚果红的质量(mg)。
关于资助研究或开发的声明:本发明是在天津市应用基础与前沿技术研究计划天津市自然科学基金项目(Grant no.14JCQNJC05900)以及国家自然科学基金项目(GrantNo.21301128)的资助下进行的。以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.基于刚性三酸配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸的金属有机化合物在水环境中吸附/去除阴离子染料中的应用,其特征在于,所述的阴离子染料为刚果红,吸附量平均为635—640mg/g;基于刚性三酸配体对三联苯-3,4″,5-三羧酸的金属有机化合物的基本结构单元化学通式为[Tb(L)(H2O)(DMF)]·DMF,以对三联苯-3,4″,5-三羧酸为配体,结构式为:
化合物基本结构单元包含一个晶体学上独立的TbIII离子Tb1,一个完全去质子化的L3-配体,三个羧基均失去活泼氢,一个末端配位的DMF分子和一个末端配位的水分子,以及一个游离态的DMF分子,完全去质子化的L3-配体采用μ7-η1,η1,η2,η1,η1,η1配位模式,所有中心TbIII离子采用九配位几何配位,由来自于五个L3-配体的羧基中七个氧原子O1、O2A、O3A、O4A、O4B、O5A、O6A,一个末端配位的DMF中的氧原子O7和一个末端配位的水分子O8w;相邻的TbIII离子通过羧基形成二核Tb2O2簇结构相互连接;相邻的二核Tb2O2簇结构通过三联苯基相互连接,形成了一个具有三维结构的纳米多孔的TbIII金属有机骨架;沿晶轴a观察到维度为的一维纳米多孔通道;配合物的键长和键角列于下表所示:
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