CN113828357B - 一种铀多酸晶体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种铀多酸晶体及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铀多酸晶体及其制备方法和在催化合成苯二氮卓类化合物的应用,属于多酸催化化学技术领域。该方法是将UO2(OAc)2·2H2O和Na10[α‑SiW9O34]·18H2O充分溶解在NaCl的水溶液中,通过室温下缓慢挥发的方法合成铀多酸晶体。该类晶体在催化邻苯二胺类化合物和1,3‑二酮类化合物脱水缩合合成苯二氮卓类化合物的反应中表现出优异的催化活性,目标产物产率高达99%。本发明提供的铀多酸晶体制备方法简单,催化活性好,在催化化学领域具有良好的应用前景。

Description

一种铀多酸晶体及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及多酸催化化学技术领域,具体讲是一种铀多酸晶体及其制备方法和应用。
背景技术
福岛第一核电站发生核事故以及日本政府决定将核废料排入大海,导致人们对放射性核素环境污染的担忧与日俱增。铀化合物浓缩技术和化学行为研究的发展对于核电、环境保护和锕系化学的发展是非常重要的。值得注意的是,几乎所有的金属元素都可以引入到多氧金属酸盐(POMs)的结构中,因为缺位POMs具有良好的电子储存性能,可以为高价元素提供多配位点,因此POMs是控制放射性核素污染的候选材料之一。自20世纪90年代以来,人们一直在研究缺位POMs在分离和固定放射性元素方面的用途。由于聚钨酸盐的抗辐射性和高热稳定性,人们合成了几十种含锕系元素的聚钨酸盐(POWs)并对其进行了表征,其中以Keggin型铀多酸(U-POWs)的报道最多。几十年来,对POMs的研究重点早已从结构导向的研究发展到性能导向的研究。但是,铀多酸的结构和性能研究仍然是不足的。因此开发新型铀多酸晶体的制备方法并对其催化性能进行研究是非常有意义的。
苯二氮卓类化合物是一种重要的氮杂环化合物,其广泛存在于天然产物和合成产物中,表现出广泛的生物活性,如抗真菌、消炎、抗微生物等。由于其表现出的重要的药理活性,许多合成该类化合物的方法被报道,其中邻苯二胺与1,3-二酮的直接缩合是合成苯二氮卓类化合物最有效的方法,该方法整体反应效率高,原子经济性好。许多催化剂已被开发用于邻苯二胺与1,3-二酮缩合制备苯二氮卓类化合物的反应中。例如,硫酸能够催化该反应,但是催化剂存在强酸性、强腐蚀性等问题,其他催化剂如氢氧化钠、对甲苯磺酸、碳纳米管负载的铁催化剂也存在反应条件苛刻、催化剂昂贵和产生有毒副产物等局限性。因此,开发新的绿色高效的催化方法合成苯二氮卓类化合物是非常必要的。
发明内容
针对目前铀多酸晶体制备及性能研究存在的不足,本发明提出了一类铀多酸晶体的制备方法并将其应用于邻苯二胺与1,3-二酮缩合合成苯二氮卓类化合物的反应。此方法使用铀多酸晶体作为绿色催化剂,产率高,无有毒副产物产生,符合绿色生产的要求。
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一,提供一种铀多酸晶体及其制备方法和应用。
本发明的技术解决方案如下:
一种铀多酸晶体,具有以下化学式:NaaHb(H2O)36[Na(UO2)(α-SiW9O34)]2·cH2O,其中10≤a≤15,0≤b≤4,1≤c≤5。
优选地,所述铀多酸晶体为化合物1和/或化合物2。
其中化合物1的化学式为Na10.5H3.5(H2O)36[Na(UO2)(α-SiW9O34)]2·2.5H2O;
化合物2的化学式为Na14(H2O)36[Na(UO2)(α-SiW9O34)]2·4H2O。
优选地,化合物1晶系为三斜晶系,空间群为P-1,晶胞参数为 α=100.9610(10)°,β=104.5270(10)°,γ=105.1200(10)°,/>Z=1。
化合物2晶系为三斜晶系,空间群为P-1,晶胞参数为 α=105.779(2)°,β=98.783(2)°,γ=98.752(2)°,/>Z=2。
本发明还公开一种铀多酸晶体的制备方法,采用溶剂挥发法合成得到化合物1,制备方法具体步骤如下:将UO2(OAc)2溶解在氯化钠溶液中,然后继续加入Na10[α-SiW9O34]·18H2O,搅拌直到Na10[α-SiW9O34]·18H2O完全溶解,然后用盐酸调节到pH为5-6,将溶液在80-90℃下搅拌半小时,得到混合物,混合物冷却到室温后,向混合物中加入氯化钠并搅拌,搅拌结束后过滤,滤液在室温静置挥发两个月后,得到黄色矩形片状晶体。
上述制备方法中,采用溶剂挥发法合成得到化合物2,制备方法具体步骤如下:将UO2(OAc)2溶解在氯化钠溶液中,然后继续加入Na10[α-SiW9O34]·18H2O,搅拌直到Na10[α-SiW9O34]·18H2O完全溶解,然后用盐酸调节到pH为6-7,将溶液在80-90℃下搅拌半小时,得到混合物,混合物冷却到室温后,向混合物中加入氯化钠并搅拌,搅拌结束后过滤,滤液在室温静置挥发两个月后,得到黄色矩形片状晶体。
本发明还公开了上述的任意一种铀多酸晶体在制备催化合成苯二氮卓类化合物上的应用,具体步骤如下:在一个4毫升的反应瓶中,加入邻苯二胺、3-甲基-2,4-戊二酮(1毫摩尔)、化合物1和乙醇。然后用带有特氟隆垫片的螺旋盖密封,在60-90℃条件下反应1-1.5小时。反应后,混合物通过柱层析法(石油醚/EtOAc)纯化,得到所需的产品。反应通式如下:(催化剂:铀多酸晶体),可以看出,副产物仅为水,绿色环保。
本发明的有益效果是:本发明所提供的铀多酸晶体,具有全新的晶体结构,通过原料的选取和合成条件的控制,能够合成一类新型铀多酸晶体,本身无毒,呈弱酸性,所制备的铀多酸晶体可以作为绿色高效的催化剂用于催化邻苯二胺与1,3-二酮脱水缩合合成苯二氮卓类化合物,为苯二氮卓类化合物的合成开辟了一条新的经济绿色途径,其优点在于:原料成本低、绿色催化剂、产率较高、实验操作简便、唯一副产物为水、绿色环保。
附图说明
图1为实施例1中化合物1的结构图;
图2为实施例2中化合物2的结构图;
图3为实施例1中化合物1的红外光谱;
图4为实施例2中化合物2的红外光谱;
图5为实施例1中化合物1的PXRD衍射图谱;
图6为实施例2中化合物2的PXRD衍射图谱。
具体实施方式
以下以具体实施例的方式对本发明的技术方案作进一步说明。
需要说明的是以下提到的产率为实际分离的产物质量除以理论产物质量。
实施例1
将UO2(OAc)2(0.0848克)溶解在20毫升0.25M的氯化钠溶液中。然后将Na10[α-SiW9O34]·18H2O(0.5562克)加入该溶液中。搅拌混合物直到Na10[α-SiW9O34]·18H2O完全溶解,然后用1M的盐酸调节到pH=5.9。将溶液在85℃下搅拌30分钟。冷却到室温后,向混合物中加入5克氯化钠并搅拌5分钟。混合物过滤之后,滤液在室温静置两个月后得到黄色矩形片状晶体,通过X射线单晶衍射仪表征得到晶体结构(具体结构见附图1),由图1可以看出化合物1多阴离子是一个典型的三明治结构。两个{α-SiW9}(图1a和c)夹住两个铀离子和两个Na(I)离子(图1b),形成一个多阴离子[Na(UO2)(SiW9O34)]2 14-(图1d)。化合物1中的U1原子呈现出一个扭曲的五边形双锥体的几何结构。铀的两个氧原子位于极点位置,键长分别为 和/>键角为179.291(2)°。
赤道上的五个氧原子都用于形成{α-SiW9},键长在之间。其中赤道上的四个氧原子几乎在一个平面内。另一个赤道上的氧原子偏离该平面超过Na1显示出典型键长/>的四面体构型。Na-O的键长在/>的范围内(图1e)。1中共有8种Na(I)离子,包括两部分Na。六种Na(I)离子(Na2至Na7)被不同数量的水分子配位,在[Na(UO2)(SiW9O34)]2 14-多阴离子周围形成1DNa(I)-H2O簇,其总形式为{Na10.5(H2O)36},1D链在Na1的连接下扩展为2D平面(图1f)。额外的3.5个氢离子平衡了电荷。因此,相邻的[Na(UO2)(SiW9O34)]2 14-多阴离子被Na(I)-H2O簇连接,形成化合物1的二维网状结构(图1g)。
实施例2
将UO2(OAc)2(0.0848克)溶解在20毫升0.25M的氯化钠溶液中。然后将Na10[α-SiW9O34]·18H2O(0.5562克)加入该溶液中。搅拌混合物直到Na10[α-SiW9O34]·18H2O完全溶解,然后用1M的盐酸调节到pH=6.4。将溶液在85℃下搅拌30分钟。冷却到室温后,向混合物中加入5克氯化钠并搅拌5分钟。混合物过滤之后,滤液在室温静置两个月后得到黄色矩形片状晶体,通过X射线单晶衍射仪表征得到晶体结构(具体结构见附图2)。由图2可以看出,化合物2结构和化合物1类似(图2a和b),不同之处在于化合物2中共有20种Na(I)离子,包括13种有序Na(I)离子(Na2至Na7、Na9至Na11、Na13、Na18至Na20),7种无序和分裂的Na(I)离子(Na1/Na1A、Na8/Na8A、Na12、Na14至Na17)。总之,化合物2中的20种Na(I)离子被不同数量的水分子配位,在两种[Na(UO2)(SiW9O34)]2 14-多阴离子周围形成大的三维Na(I)-H2O框架团簇,其总形式为{Na14(H2O)36}(图2c)。两种[Na(UO2)(SiW9O34)]2 14-多阴离子都位于三维Na(I)-H2O框架的空腔中,与相邻的12个多阴离子一起延伸到化合物2的三维结构中(图2d)。
实施例3
在一个4毫升的反应瓶中,加入邻苯二胺(1毫摩尔)、3-甲基-2,4-戊二酮(1毫摩尔)、化合物2(0.005毫摩尔)和碳酸二甲酯(0.1毫升)。然后用带有特氟隆垫片的螺旋盖密封,在60℃条件下反应30分钟。待反应结束后,通过柱层析分离得到目标产物,称量计算之后得到产率为97%。
目标产物具体结构及采用核磁共振对目标产物检测的数据结果如下:
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ(ppm)7.39(dd,J=6.0,3.6Hz,2H),7.23(dd,J=6.1,3.5Hz,2H),2.25(s,6H),2.03(q,J=7.0Hz,1H),1.61(d,J=7.0Hz,3H);13C NMR(126MHz,CDCl3):δ(ppm)159.70,139.68,127.06,124.85,44.83,22.75,12.88.
以上测试结果表明,目标产物为苯二氮卓类化合物,即说明采用本实施例方法能够合成苯二氮卓类化合物。
实施例4
在一个4毫升的反应瓶中,加入4-甲基邻苯二胺(1毫摩尔)、3-甲基-2,4-戊二酮(1毫摩尔)、化合物2(0.005毫摩尔)和碳酸二甲酯(0.1毫升)。然后用带有特氟隆垫片的螺旋盖密封,在60℃条件下反应30分钟。待反应结束后,通过柱层析分离得到目标产物,称量计算之后得到产率为96%。
目标产物具体结构及核磁共振数据结果如下:
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ(ppm)7.29-7.26(m,1H),7.18(s,1H),7.05(d,J=8.2Hz,1H),2.39(s,3H),2.23(s,6H),2.03(q,J=7.0Hz,1H),1.59(d,J=7.0Hz,3H);13C NMR(126MHz,CDCl3):δ(ppm)159.34,158.87,139.46,137.46,134.66,126.89,126.26,44.84,22.65,21.08,12.90.
以上测试结果表明,目标产物为苯二氮卓类化合物,即说明采用本实施例方法能够合成苯二氮卓类化合物。
实施例5
在一个4毫升的反应瓶中,加入4-氯邻苯二胺(1毫摩尔)、3-甲基-2,4-戊二酮(1毫摩尔)、化合物2(0.005毫摩尔)和碳酸二甲酯(0.1毫升)。然后用带有特氟隆垫片的螺旋盖密封,在60℃条件下反应30分钟。待反应结束后,通过柱层析分离得到目标产物,称量计算之后得到产率为97%。
目标产物具体结构及核磁共振数据结果如下:
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ(ppm)7.37(d,J=2.3Hz,1H),7.29(t,J=10.7Hz,1H),7.17(dd,J=8.7,2.3Hz,1H),2.23(s,6H),1.99(dd,J=13.9,7.0Hz,1H),1.61(d,J=7.0Hz,3H);13C NMR(126MHz,CDCl3):δ(ppm)160.66,160.00,140.42,138.23,129.73,128.43,126.50,125.17,45.14,22.78,12.84.
以上测试结果表明,目标产物为苯二氮卓类化合物,即采用本实施例方法能够合成苯二氮卓类化合物。
实施例6
在一个4毫升的反应瓶中,加入3,4-2-氯邻苯二胺(1毫摩尔)、3-甲基-2,4-戊二酮(1毫摩尔)、化合物2(0.005毫摩尔)和碳酸二甲酯(0.1毫升)。然后用带有特氟隆垫片的螺旋盖密封,在60℃条件下反应30分钟。待反应结束后,通过柱层析分离得到目标产物,称量计算之后得到产率为98%。
目标产物具体结构及核磁共振数据结果如下:
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ(ppm)7.47(s,2H),2.23(s,6H),2.01(q,J=6.9Hz,1H),1.62(d,J=7.0Hz,3H);13C NMR(126MHz,CDCl3):δ(ppm)161.33,138.98,128.25,128.08,45.36,22.81,12.80.
以上测试结果表明,目标产物为苯二氮卓类化合物,即采用本实施例方法能够合成苯二氮卓类化合物。
对比例1
在一个4毫升的反应瓶中,加入邻苯二胺(1毫摩尔)、3-甲基-2,4-戊二酮(1毫摩尔)、硫酸(0.1毫摩尔)和乙醇(1毫升)。然后用带有特氟隆垫片的螺旋盖密封,在80℃条件下反应2小时。待反应结束后,通过柱层析分离得到目标产物,产率为77%。
从产率值可知,实施例3-6中采用铀多酸晶体合成目标产物(苯二氮卓类化合物)的产率高达98%,而对比例1采用硫酸作为催化剂,产率仅有77%,另外,硫酸催化剂存在强酸性、强腐蚀性的问题,不符合绿色生产的要求,而本发明的目标产物产率非常高,而且副产物仅为水,无有毒副产物产生,且铀多酸晶体本身无毒,呈弱酸性,符合绿色生产的要求。
通过对上述实施例1和实施例2的红外光谱测试自己PXED衍射图谱分析,结果见图3-图6。
图3中可以看出,化合物1的红外光谱如图3所示,3300cm-1处的特征峰为水分子中O-H的伸缩振动峰。1100-500cm-1处的振动峰对应为多酸的特征峰。说明铀多酸晶体结构中存在多酸的结构。
图4中可以看出,化合物2的红外光谱如图3所示,3300cm-1处的特征峰为水分子中O-H的伸缩振动峰。1100-500cm-1处的振动峰对应为多酸的特征峰。说明铀多酸晶体结构中存在多酸的结构。
图5中可以看出,化合物1的PXRD衍射图如图5所示,实验测得的关键衍射峰位置与理论计算得到的关键衍射峰位置相匹配,这表明实施例1的方法制得的化合物1纯度较高,是单一相。衍射峰强度的不同可能是实验收集数据的过程中粉末择优取向的变化所致。
图6中可以看出,化合物2的PXRD衍射图如图6所示,实验测得的关键衍射峰位置与理论计算得到的关键衍射峰位置相匹配,这表明实施例2的方法制得的化合物2纯度较高,是单一相。衍射峰强度的不同可能是实验收集数据的过程中粉末择优取向的变化所致。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进,都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铀多酸晶体,其特征在于,
具有以下化学式:
化合物1:Na10.5H3.5(H2O)36[Na(UO2)(α-SiW9O34)]2·2.5H2O,或,
化合物2:Na14(H2O)36[Na(UO2)(α-SiW9O34)]2·4H2O;
化合物1晶系为三斜晶系,空间群为P-1,晶胞参数为a=13.3785(4)Å,b=13.4614(3)Å,c=15.6651(4)Å,=100.9610(10)°,β=104.5270(10)°,γ=105.1200(10)°,V=2535.94(12)Å,Z=1;
化合物2晶系为三斜晶系,空间群为P-1,晶胞参数为a=13.7358(5)Å,b=16.5998(7)Å,c=23.6731(10)Å,=105.779(2)°,β=98.783(2)°,γ=98.752(2)°,V=5025.8(4)Å,Z=2。
2.一种如权利要求1所述的铀多酸晶体的制备方法,其特征在于,由UO2(OAc)2·2H2O和Na10[α-SiW9O34]·18H2O溶解在NaCl的水溶液中通过溶剂挥发结晶得到。
3.根据权利要求2所述的一种铀多酸晶体的制备方法,其特征在于,
化合物1的制备方法:将UO2(OAc)2·2H2O溶解在氯化钠溶液中,然后继续加入Na10[α-SiW9O34]·18H2O,搅拌直到Na10[α-SiW9O34]·18H2O完全溶解,然后用盐酸调节到pH为5-6,将溶液在80-90℃下搅拌,得到混合物,混合物冷却到室温后,向混合物中加入氯化钠并搅拌,搅拌结束后过滤,滤液在室温静置,得到黄色矩形片状晶体。
4.根据权利要求2所述的一种铀多酸晶体的制备方法,其特征在于,
化合物2的制备方法:将UO2(OAc)2·2H2O溶解在氯化钠溶液中,然后继续加入Na10[α-SiW9O34]·18H2O,搅拌直到Na10[α-SiW9O34]·18H2O完全溶解,然后用盐酸调节到pH为6-7,将溶液在80-90℃下搅拌,得到混合物,混合物冷却到室温后,向混合物中加入氯化钠并搅拌,搅拌结束后过滤,滤液在室温静置,得到黄色矩形片状晶体。
5.根据权利要求1所述的铀多酸晶体或由权利要求2-4任意一项所述的制备方法制得的铀多酸晶体在制备催化合成苯二氮卓类化合物上的应用。
6.根据权利要求5所述的应用,其特征在于,包含以下步骤:
将邻苯二胺、3-甲基-2,4-戊二酮、铀多酸晶体和乙醇混合,然后在60-90℃条件下反应1-1.5小时,反应后所得溶液进行纯化,得到苯二氮卓类化合物。
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