CN114805827B - 一种离子有机框架结构材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子有机框架结构材料及其制备方法和应用。所述的离子有机框架结构材料是由N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)与四羧酸钠四苯乙烯在溶剂中搅拌两周形成。本发明合成的离子有机框架结构材料不仅在固态保持很好的规整结构,而且可以在溶液中实现单层框架结构的剥离,保持很好的结晶性,同时具有良好的发光特性。本发明的离子有机框架结构材料可作为一种乙酸荧光检测材料,在环境探测领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于有机框架材料技术领域,涉及一种离子有机框架结构材料的生成方法,具体涉及一种离子有机框架结构材料及其制备方法和应用。
背景技术
宏观物质的性质并不总是与组成的分子性质相同,也不总是所有组成分子性质的简单加和。相反,它可能与组成的分子性质不一致,甚至相反。例如,单肽通常缺乏生理功能,而它们具有层次结构的聚集体可以产生特定的生理功能。同样,具有平面结构的发光体一般在单分散状态下表现出明亮的发光,而其聚集体的发光大多被减弱甚至猝灭,这被称为聚集导致荧光猝灭(ACQ)。更有趣的是,一些螺旋状的分子在稀溶液中表现出不发光或者发光很弱(单分子态),但在聚集状态时表现出更强的发光,这被称为聚集诱导发光(AIE)。这些现象通常表明,分子的聚集可能会改变整个体系的特性,要么失去原有的功能(1→0),要么赋予分子新的特性或功能(0→1)。因此,研究聚集态的结构、相互作用、层次结构和形态,深入理解聚集对分子和聚集体性质的影响是具有更多丰富性质材料的设计和开发的关键。
生命系统,例如蛋白质、DNA和脂质,甚至是更复杂的生物体,通过分子间的非共价相互作用,主要由数千个简单分子组成。一个广为人知的例子是双层结构的生物膜,其中双亲性磷脂在膜内排列其亲脂性链,极性基团通过疏水相互作用朝向水介质。为了理解和模拟这样的自然系统,超分子化学已经成为一个热门的研究领域,它可以通过各种非共价相互作用,如氢键作用、静电相互作用、疏水相互作用和π–π相互作用,形成具有不同形状、组成和功能的超分子结构。这种形成规整聚集体的方法,其结构及分子作用非常明确,对于我们研究聚集体科学是非常有意义的。在构筑此类聚集体中所涉及的非共价相互作用中,静电相互作用是非常强的一种,对于形成稳定的聚集体是非常有利的。但是由于静电作用的无方向性,对于形成长程有序的结构来说是非常有挑战性的。
Wei等人通过离子间静电相互作用以及氢键的协同相互作用构筑了规整的离子聚集体,但是该离子聚集体只有在晶体中才能稳定,在溶液中的聚集状态依旧是无规的,这对于在溶液中研究规整离子聚集体的性能以及应用是非常受局限的。(Wei P,He X,Zheng Z,et al.Robust Supramolecular Nano-Tunnels Built from Molecular Bricks[J].Angew.Chem.Int.Ed.2021,133(13):7224-7230.)
发明内容
基于以上现有技术的不足,本发明的首要目的在于提供一种离子有机框架结构材料。
本发明另一目的在于提供上述提供一种离子有机框架结构材料的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述一种离子有机框架结构材料在荧光检测领域中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现:
本发明提供一种离子有机框架结构材料,通过双臂的N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子与四臂的四羧酸根四苯乙烯之间的静电相互作用形成具有拓扑结构的多孔材料。
上述一种离子有机框架结构材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将[RhCp*Cl2]2,AgOAc,二苯乙炔和4,4'-双(2-苯并咪唑基)-1,1'-联苯的混合物在溶剂中加热搅拌;待反应液降至室温加入NaCl溶液进行猝灭,抽滤后萃取,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,过滤,旋干滤液,经硅胶柱分离后得到N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子;
(2)将步骤(1)所得的N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子与四羧酸钠四苯乙烯在溶剂中搅拌反应,得到反应液沉淀;将反应液沉淀进行过滤得到固体初产物,然后水洗,索氏提取后干燥,得到所述离子有机框架结构材料。
进一步地,步骤(1)所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)的化学结构如下:
进一步地,步骤(1)所述溶剂为甲醇。
进一步地,步骤(1)所述加热搅拌的温度为80~120℃;时间为5~24h。
进一步地,步骤(2)所述四羧酸钠四苯乙烯(4TPECOONa)的化学结构如下所示:
进一步地,步骤(2)所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子与四羧酸钠四苯乙烯的摩尔比为1:1~4:1。
进一步地,步骤(2)所述溶剂为四氢呋喃、二氯甲烷、丙酮中的一种。
进一步地,步骤(2)所述搅拌反应的温度为室温。
进一步地,步骤(2)所述搅拌反应的时间为7~20天。
进一步地,步骤(2)所述索氏提取具体为用四氢呋喃,丙酮等进行索氏提取。
由上述制备方法得到的离子有机框架结构材料具有良好的加工性。
优选的,所述良好的加工性,具体为:所述离子有机框架结构材料可溶在高极性的溶剂中,在溶液中可以观察到明显的丁达尔效应,表明在溶液中可能存在规整的结构。
优选的,所述高极性的溶剂为甲醇、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲基亚砜。
本发明提供了上述一种离子有机框架结构材料在乙酸荧光检测中的应用。
优选的,所述乙酸荧光检测,具体为:在溶液状态下,其荧光由蓝色转变为天蓝色;在固态下,用乙酸熏一下其荧光由暗黄色转变为亮绿色。
本发明利用N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs),提供刚性的构筑基元的同时保证正电荷的充分离域,增大分子间作用,提高材料的稳定性。引入四苯乙烯的羧酸根基元,提供氢键相互作用,TPE柔性结构易于调控,容易剥离。通过两者的阴阳离子的静电相互作用形成离子有机框架结构。该方法简单易行,条件温和。在溶液中可以很好地实现单层框架结构的剥离,具有良好的加工性能,在光电领域具有良好的应用前景。此外,该离子有机框架结构材料对乙酸具有很好的响应效果,可用于乙酸分子的荧光检测试剂。
本发明相对于现有技术,具有如下的优点及有益效果:
(1)本发明的离子有机框架结构材料是通过双臂的N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子与四臂的四羧酸根四苯乙烯之间的静电相互作用构筑的,此方法反应条件温和,简单易行;
(2)本发明的离子有机框架结构材料,具有良好的加工性能,可以应用于光电传输领域;
(3)本发明的离子有机框架结构材料,具有乙酸吸附特性,可以应用于乙酸分子的荧光检测。
附图说明
图1为本发明的离子有机框架结构材料的拓扑结构图;
图2为2PAHs和4TPECOONa的分子范德华表面静电势图;
图3为2PAHs和4TPECOONa的等温量热滴定曲线图;
图4为2PAHs和4TPECOONa的等温量热滴定曲线拟合图;
图5为本发明的离子有机框架结构材料与2PAHs和4TPECOONa的红外光谱图;
图6为本发明的离子有机框架结构材料的XPS图;
图7为本发明的离子有机框架结构材料粉末SEM图;
图8为本发明的离子有机框架结构材料粉末XRD图;
图9为本发明的离子有机框架结构材料的氮气吸附-解吸附图;
图10为本发明的离子有机框架结构材料在不同溶剂中的丁达尔效应图;
图11为本发明的离子有机框架结构材料在乙醇溶液中的TEM图;
图12为本发明的离子有机框架结构材料加入不同量的乙酸后的PL光谱图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。下列实施例中使用的试剂均可从商业渠道获得。
本发明的离子有机框架结构材料(IOF)的制备。IOF为通过双臂的N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子与四臂的四羧酸根四苯乙烯之间的静电相互作用形成具有拓扑结构的多孔材料,如图1所示。
合成路线如下:
具体步骤如下:
(1)首先制备化合物2PAHs,即N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子。将[RhCp*Cl2]2(2.5~10mmol%),AgOAc(240~580mol%),二苯乙炔(240~580mol%)和4,4'-双(2-苯并咪唑基)-1,1'-联苯(50~100mol%)的混合物在5mL甲醇中80~120℃下加热搅拌5~24h。待反应液降至室温加入NaCl溶液进行猝灭,抽滤后用二氯甲烷萃取反应液数次,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,过滤掉硫酸钠得到过滤液,旋干滤液,得到N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)粗产物,粗产物用硅胶柱分离后即可得到所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)。
(2)将0.05~2mmol化合物2PAHs,即N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子,加入到0.05~0.5mmol化合物4TPECOONa,即四羧酸钠四苯乙烯,在10mL四氢呋喃或二氯甲烷或丙酮溶液中在氮气氛围下室温搅拌7~20天后有大量沉淀析出。将反应液分通过抽滤漏斗抽滤得到固体初产物,再用超纯水洗涤后用四氢呋喃,丙酮等索氏提取后干燥得到终产物。
实施例1
(1)将[RhCp*Cl2]2(2.5mmol%),AgOAc(240mmol%),二苯乙炔(240mmol%)和4,4'-双(2-苯并咪唑基)-1,1'-联苯(50mmol%)的混合物在5mL甲醇中100℃下加热搅拌10h。待反应液降至室温加入NaCl溶液进行猝灭,抽滤后用二氯甲烷萃取反应液,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,过滤掉硫酸钠得到过滤液,旋干滤液,得到N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)粗产物,粗产物用硅胶柱分离后即可得到所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs),产率88.6%。
(2)将0.1mmol化合物2PAHs,即N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子,加入到0.05mmol化合物4TPECOONa,在10mL四氢呋喃中在氮气氛围下室温搅拌14天后有大量沉淀析出。将反应液分通过抽滤漏斗抽滤得到固体初产物,再用超纯水洗涤后用四氢呋喃索氏提取后干燥得到终产物,产率为65.1%。
实施例2
(1)将[RhCp*Cl2]2(10mmol%),AgOAc(360mmol%),二苯乙炔(360mmol%)和4,4'-双(2-苯并咪唑基)-1,1'-联苯(100mmol%)的混合物在5mL甲醇中120℃下加热搅拌5h。待反应液降至室温加入NaCl溶液进行猝灭,抽滤后用二氯甲烷萃取反应液,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,过滤掉硫酸钠得到过滤液,旋干滤液,得到N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)粗产物,粗产物用硅胶柱分离后即可得到所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs),产率68.6%。
(2)将0.5mmol化合物2PAHs,即N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子,加入到0.5mmol化合物4TPECOONa,在10mL丙酮中在氮气氛围下室温搅拌7天后有大量沉淀析出。将反应液分通过抽滤漏斗抽滤得到固体初产物,再用超纯水洗涤后用四氢呋喃索氏提取后干燥得到终产物,产率为28.3%。
实施例3
(1)将[RhCp*Cl2]2(5mmol%),AgOAc(580mmol%),二苯乙炔(580mmol%)和4,4'-双(2-苯并咪唑基)-1,1'-联苯(75mmol%)的混合物在5mL甲醇中80℃下加热搅拌24h。待反应液降至室温加入NaCl溶液进行猝灭,抽滤后用二氯甲烷萃取反应液,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,过滤掉硫酸钠得到过滤液,旋干滤液,得到N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)粗产物,粗产物用硅胶柱分离后即可得到所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs),产率70.4%。
(2)将0.05mmol化合物2PAHs,即N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子,加入到0.25mmol化合物4TPECOONa,在10mL二氯甲烷中在氮气氛围下室温搅拌20天后有大量沉淀析出。将反应液分通过抽滤漏斗抽滤得到固体初产物,再用超纯水洗涤后用丙酮索氏提取后干燥得到终产物,产率为23.2%。
实施例4
(1)将[RhCp*Cl2]2(7.5mmol%),AgOAc(580mmol%),二苯乙炔(360mmol%)和4,4'-双(2-苯并咪唑基)-1,1'-联苯(100mmol%)的混合物在5mL甲醇中100℃下加热搅拌14h。待反应液降至室温加入NaCl溶液进行猝灭,抽滤后用二氯甲烷萃取反应液,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,过滤掉硫酸钠得到过滤液,旋干滤液,得到N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)粗产物,粗产物用硅胶柱分离后即可得到所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs),产率58.4%。
(2)将1mmol化合物2PAHs,即N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子,加入到0.5mmol化合物4TPECOONa,在10mL二氯甲烷中在氮气氛围下室温搅拌18天后有大量沉淀析出。将反应液分通过抽滤漏斗抽滤得到固体初产物,再用超纯水洗涤后用丙酮索氏提取后干燥得到终产物,产率为42.7%。
实施例5
(1)将[RhCp*Cl2]2(10mmol%),AgOAc(4200mmol%),二苯乙炔(500mmol%)和4,4'-双(2-苯并咪唑基)-1,1'-联苯(100mmol%)的混合物在5mL甲醇中100℃下加热搅拌14h。待反应液降至室温加入NaCl溶液进行猝灭,抽滤后用二氯甲烷萃取反应液,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,过滤掉硫酸钠得到过滤液,旋干滤液,得到N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs)粗产物,粗产物用硅胶柱分离后即可得到所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子(2PAHs),产率64.3%。
(2)将2mmol化合物2PAHs,即N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子,加入到0.5mmol化合物4TPECOONa,在10mL二氯甲烷中在氮气氛围下室温搅拌12天后有大量沉淀析出。将反应液分通过抽滤漏斗抽滤得到固体初产物,再用超纯水洗涤后用丙酮索氏提取后干燥得到终产物,产率为38.9%。
下面对实施例1所制备的离子有机框架结构材料(IOF)的形成可行性、结构表征、结晶以及多孔性、光物理性质、可加工性、乙酸分子响应方面进行分析。
(a)IOF形成的可行性分析:
为了证明这种IOF形成的可行性,研究了与分子间相互作用密切相关的分子范德华表面静电势(ESP)。如图2所示,2PAHs在不同静电势区域的表面积分布几乎为正,而4TPECOO-则为负。因此,2PAHs与4TPECOO-之间存在较强的静电相互作用,使得非常有利于构建离子有机框架结构。
(b)IOF的结构表征:
用等温滴定量热法(ITC)监测阳离子-阴离子相互作用所产生的结合情况。研究发现,在298K下,将2PAHs(1mM)的甲醇(MeOH)溶液逐步注射到4TPECOONa(0.01mM)的MeOH溶液中,图3显示了典型的ITC剖面和校正后的热值,会像预期的吸热结合过程一样逐渐释放热量。图4是2PAHs/4TPECOONa比值的函数,对数据的自动拟合表明,2PAHs和4TPECOONa之间的结合化学计量比为1:2,该配合物形成对应的缔合常数Ka=1.14×104,这表明这种阳离子-阴离子相互作用相对较强。此外,在图5所示的红外光谱中,对应的正负离子相互作用形成IOF后,C-O-、C=O的伸缩振动分别从1592cm-1、1400cm-1转移到1664cm-1、1446cm-1,振动或转动峰强度降低,这是由于分子内正离子和负离子之间强的相互作用限制了其振动或转动。这些变化进一步支持2PAHs与羧酸基团的4TPECOONa协调作用形成IOF。然后,通过X射线光电子能谱(XPS)分析IOF的表面性质,如图6所示,IOF粉末中检测到来自2PAHs的氮元素和来自4TPECOONa的氧元素,这表明IOF的形成确实是由阳离子2PAHs和阴离子4TPECOO-的静电结合引起的。
(c)IOF的结晶和多孔性:
IOF粉末X射线衍射(PXRD)证实了IOF具有规整多孔结构。如图8所示,衍射图样显示了许多明确的衍射峰,突出了这些材料中存在着长程有序的结构。IOF有6个明显的衍射峰,5.1°、8.7°、31.6°、37.1°和41.3°,其中18.1°的IOF峰最强IOF峰最强,表明该IOF具有较强的取向结构。为了研究IOF是否存在预期的孔隙结构,在77K下进行了氮气(N2)吸附和解吸测量,以评估其孔隙度和孔径分布(图9)。IOF的吸附曲线为典型的IV型等温线组合,表明其具有介孔特性。IOF的Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积计算为17.79m2/g。IOF相对较低的比表面积应归因于孔隙中填充了较大尺寸的其他对阴离子。为了生动地展示IOF的多孔结构,使用扫描电镜(SEM)对IOF粉末的形貌进行了观察,如图7所示,材料表面粗糙,存在很明显的气孔。综上所述,X射线衍射、BET和SEM实验表明,IOF确实是通过纯有机阴离子和纯有机阳离子之间的静电相互作用形成了离子有机骨架。
(d)IOF的可加工性
该粉末可以通过简单的超声操作在多种有机溶剂中溶解,如二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、乙醇(EtOH)和甲醇(MeOH)。得到的上清液表现出强烈的丁达尔效应,表明是胶体纳米颗粒悬浮液(图10)。然后将这种悬浮液滴入到铜网,用高分辨率TEM进行分析。高分辨率TEM成像显示纳米片的存在。同时观察到明显的晶格衍射条纹(图11)。晶格衍射条纹的可见性表明其保持良好的框架结构,具有溶液加工的潜力。
(e)IOF对乙酸分子的荧光检测
分别将0、10、20、30、40、50、60微升乙酸加入到IOF的乙醇溶液中,测试其PL光谱,如图12所示,可以发现,随着乙酸加入的量不断增加,其发射颜色由深蓝色逐渐变成天蓝色,其可以实现对乙酸分子的荧光检测。
上述分析表明,本发明提出了一种利用静电相互作用作为动力的简易的制备离子有机框架结构材料(IOF)的策略。通过ITC测量显示,两种构建块2PAHs和4TPECOONa以1:2的比例表现出很强的静电结合。值得注意的是,IOF不仅具有较高的固态结晶度,而且能够克服层间相互作用和结构刚度,保持溶液中稳定的骨架结构。此外,在溶液中,乙酸能刺激IOF的荧光变化,这可能是由于多孔IOF对乙酸的物理吸附所致。通过纯有机离子之间的静电相互作用,在固体和溶液状态下都具有稳定结构的IOF。作为有机框架家族中的新成员,IOF的形成利用了纯有机阴离子和纯有机阳离子之间的静电相互作用这种新的相互作用方式,有利于新材料的开发。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
2.权利要求1所述的一种离子有机框架结构材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将[RhCp*Cl2]2,AgOAc,二苯乙炔和4,4'-双(2-苯并咪唑基)-1,1'-联苯的混合物在溶剂中加热搅拌;待反应液降至室温加入NaCl溶液进行猝灭,抽滤后萃取,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,过滤,旋干滤液,经硅胶柱分离后得到N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子;
(2)将步骤(1)所得的N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子与四羧酸钠四苯乙烯在溶剂中搅拌反应,得到反应液沉淀;将反应液沉淀进行过滤得到固体初产物,然后水洗,索氏提取后干燥,得到所述离子有机框架结构材料。
4.根据权利要求2所述的一种离子有机框架结构材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述溶剂为甲醇。
5.根据权利要求2所述的一种离子有机框架结构材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述加热搅拌的温度为80~120℃;加热搅拌的时间为5~24h。
6.根据权利要求2所述的一种离子有机框架结构材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述N掺杂的苯并[c,d]荧蒽骨架的稠环芳烃双阳离子分子与四羧酸钠四苯乙烯的摩尔比为1:1~4:1。
7.根据权利要求2所述的一种离子有机框架结构材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述溶剂为四氢呋喃、二氯甲烷、丙酮中的一种。
8.根据权利要求2所述的一种离子有机框架结构材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述搅拌反应的温度为室温;搅拌反应的时间为7~20天。
9.根据权利要求2所述的一种离子有机框架结构材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述索氏提取具体为用四氢呋喃或丙酮进行索氏提取。
10.权利要求1所述的一种离子有机框架结构材料在乙酸荧光检测中的应用。
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"荧蒽修饰的四苯基乙烯衍生物: 分子合成、聚集增强荧光特性及其对苦味酸的高灵敏度检测";白玮等;《化学学报》;20161018;第893-901页 * |
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