CN114957697A - 基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光刺激响应材料技术领域,具体涉及一系列基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物及其制备和应用,所述光刺激响应配位聚合物为一维螺旋链结构的黄色长针状晶体,化学式为[Zn(M)2(tpeb)]n,其中,M表示对卤素苯甲酸,结构式如式I所示;tpeb表示三烯烃三吡啶配体;n=3000‑60000。本发明制备得到了三种结构类似的配合物,该三种配合物在紫外光的照射下均能发生[2+2]环加成反应,并且反应过程伴随着晶体机械运动的发生,这种机械运动可以通过参与配位的羧酸配体进行调控;该类配位聚合物的制备方法简单,反应条件温和,且光转化速率快;本发明中光刺激响应的手段为非接触型和损伤型,体积调控精准度高,且整个调控过程无任何化学试剂参与,安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于光刺激响应材料技术领域,具体涉及一种基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物及其制备和应用。
背景技术
分子驱动器是一种能够响应外部刺激诸如光,热,电场,磁场等而发生机械运动(例如,旋转,破裂,膨胀,弯曲,尺寸变化等)的智能材料。因其在电化学,智能医疗设备,分子开关,传感器,智能机器人等方面具有巨大的应用潜能,所以近些年来在刺激响应材料领域的研究热点。
在上述外部刺激中,光能尤其具有吸引力,由于其不仅能够以非接触式和非侵入式方式远程触发分子运动,而且具备可以调节其照射角度,波长,位置以及时长的特性。此外,光能还具有易于获得,绿色清洁和成本效益高等优点。光响应材料是一类将光能转化为宏观或微观的外部形变的材料,这在新能源的开发和能源转换方面都具有重要的研究意义。近几十年来,已经报道了许多基于偶氮苯,双芳基,螺并吡喃,蒽和色烯等光敏官能团的光响应材料。这些光敏官能团的形变发应基本机制可以分为两类,分别是化学反应(例如,蒽的[4+4]光环化反应和烯烃的[2+2]光环加成反应)和分子构型的变化(例如,偶氮苯的顺反异构化)。该材料通过吸收光子能量而引发了纳米级的分子结构运动,分子结构运动所产生应力的释放最终导致的宏观的机械运动。目前已有的光响应材料主要包括晶体和聚合物基质材料。其中晶体材料具有高度有序的结构,并且可以通过单晶X射线衍射来确定其分子结构以及监测反应过程中结构的变化,这对于反应机理和变化细节的研究有重要的意义,因此这种特性也使光响应晶体材料受到了科学家们广泛的关注。此外,与其他光响应材料相比,晶体材料具有反应时间快,杨氏模量高等优点。此外,一些含有卤素的光反应材料在光响应性能方面具有格外优异的表现。
由于配位聚合物的结构具有可调节性和精确统一性。将光反应分子引入配合物中从而合成光响应材料的方法近年来备受关注。目前大多数对于光驱动性能的研究主要集中于通过改变入射光的波长、偏振角、角度等方式来调节其光驱动性能。仅有少部分例子是通过改变分子晶体中取代基的基团和位置来影响其光致运动机械性能,而对于在配位聚合物中通过微调辅助羧酸的取代基从而达到改善光致机械运动的速率的方法未见报道。
发明内容
本发明旨在提供一种基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物及其制备和应用,使用三种不同的对卤苯甲酸与三烯烃三吡啶配体tpeb以及Zn通过溶剂热反应构筑了三个结构相似配位聚合物,该三种配合物在紫外光的照射下均可发生[2+2]光环加成反应,并且反应过程伴随着晶体机械运动的发生,这种机械运动可以通过参与配位的对卤苯甲酸配体进行调控。
按照本发明的技术方案,所述基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物,为一维螺旋链结构的黄色长针状晶体,化学式为[Zn(M)2(tpeb)]n,
其中,M表示对卤素苯甲酸,结构式如式I所示;tpeb表示三烯烃三吡啶配体;n=3000-60000;
式I中,X为氯、溴或碘。
具体的,X为氯,M为4-HCBA,光刺激响应配位聚合物的化学式为[Zn(CBA)2(tpeb)]n(1);X为溴,M为4-HBBA,光刺激响应配位聚合物的化学式为[Zn(BBa)2(tpeb)]n(2);X为碘,M为4-HIBA,光刺激响应配位聚合物的化学式为[Zn(IBa)2(tpeb)]n(3)。
本发明的第二方面提供了上述基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物的制备方法,包括以下步骤:
将三烯烃三吡啶、对卤素苯甲酸和锌盐溶于混合溶剂中,加热反应,得到所述基于卤素的光刺激响应配位聚合物;所述混合溶剂为体积比1:2的乙腈与水的混合溶液(改变溶剂比例,不能得到该配合物)。
进一步的,所述三烯烃三吡啶(tpeb)的合成方法如下:在保护气氛条件和催化剂作用下,将1,3,5-三溴苯和4-乙烯基吡啶进行加热反应。
进一步的,保护气氛为氮气或氩气;催化剂为双三苯基膦二氯化钯;1,3,5-三溴苯与4-乙烯基吡啶的摩尔比为3:8-15,优选为1:10;加热反应的温度为110-130℃,时间为40-60h,优选温度为120℃,时间为28h。
进一步的,所述锌盐为硫酸锌(ZnSO4·7H2O)或硝酸锌(ZnNO3·6H2O)。
进一步的,三烯烃三吡啶、对卤素苯甲酸和锌盐混合后的溶液体系的pH为5-6。
进一步的,所述三烯烃三吡啶、对卤素苯甲酸与锌盐的摩尔比为1-1.5:2-3:1-1.5,优选为1:2:1。
进一步的,所述加热反应的温度为140-160℃,时间为10-15h;优选温度为150℃,时间为12h。
本发明的第三方面提供了一种复合膜,包括上述光刺激响应配位聚合物。
本发明的第四方面提供了上述复合膜的制备方法,包括以下步骤,
S1:将所述光刺激响应配位聚合物研磨并分散在溶剂中,干燥,得到粉末;
S2:将所述粉末加入基底中,混匀后烘干,得到所述复合膜。
进一步的,所述溶剂选自无水乙醇、乙醚、乙腈、水和甲醇中的一种或多种。
进一步的,所述基底选自PVA(聚乙烯醇)、聚丙烯和聚偏二氟乙烯中的一种或多种;优选为10wt%PVA水溶液,光刺激响应配位聚合物与PVA水溶液的质量比为0.1-0.9:11。
进一步的,所述步骤S1中,干燥的温度为50-70℃;所述步骤S3中,烘干的温度为70-90℃。
本发明的第五方面提供了上述基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物,或复合膜在光致驱动中的应用。
进一步的,采用紫外光诱导;具体的,所述紫外光的波长为365nm-420nm。
本发明的第六方面提供了一种光致驱动装置,其特征在于,包括上述复合膜。
进一步的,所述光致驱动装置为电化学设备、智能医疗设备、分子开关、传感器或智能机器人。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点:
1、本发明制备得到了三种配合物,该三种配合物在紫外光的照射下均能发生[2+2]环加成反应,并且反应过程伴随着晶体机械运动的发生,这种机械运动可以通过参与配位的对卤苯甲酸配体进行调控;该配位聚合物的制备方法简单,反应条件温和,且光转化速率快;
2、本发明中光刺激响应的手段为非接触型和损伤型,体积调控精准度高,且整个调控过程无任何化学试剂参与,安全可靠。
附图说明
图1为配体tpeb的核磁共振氢谱。
图2为配体tpeb的核磁共振碳谱。
图3为配合物1-3的粉末X-射线衍射对比图谱。
图4为配合物1-3的热重分析谱图。
图5(a)为配合物1-3中Zn(II)中心的配位环境;(b)为配合物1-3中的一维螺旋链结构;(c)为配合物1-3的一维链通过π-π相互作用沿a轴连接而成的二维结构图;(d)为配合物1-3中相邻tpeb配体的排列方式。
图6为光照前(a)和光照后(b)的晶体衍射图(曝光时间都为10s)。
图7为未发生环加成发应的tpeb配体和环加成反应生成的寡聚物的核磁氢谱图。
图8为寡聚物的质谱图。
图9为不同光照时间下的配合物1(a),2(b),3(c)的荧光光谱变化。
图10为配合物1-3粉末的处理流程。
图11为不同尺寸的单晶在紫外光下的多种机械运动行为。
图12为紫外光诱导下的配合物1(a),2(b),3(c)光致机械弯曲行为。
图13为紫外光诱导下的配合物配合物单晶的可逆弯曲现象。
图14为复合薄膜1-PVA(a),2-PVA(b),3-PVA(c)的PXRD谱图。
图15为复合薄膜1-PVA(a),2-PVA(b),3-PVA(c)在420nm紫外光照射下的形变行为。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述实施例中,配体tpeb基于文献方法并通过进一步的改良所制备的,其他化学品和试剂均直接从采购平台购买。所有配合物的C,H,N元素分析均在Carlo-Erba CHNO-S元素分析仪上测定。红外光谱均在Varian 1000 FT-IR光谱仪上完成(KBr压片,波长范围4000-400cm-1)。热重分析(TGA)数据是通过在TASDT-600热重分析仪上测试所得到的(加热速率为10℃/min)。X-射线粉末衍射(PXRD)数据在PANalytical X'PertPRO MPD(PW3040/60)粉末衍射仪(Cu Kα,λ=0.15406nm)上测试得到,测试电压为40kV,测试电流为15mA,扫描范围为5°-50°。荧光光谱在HORIBA PTI QuantaMaster 40荧光光谱仪上测定。紫外-可见吸收(UV-vis)以及固体紫外漫反射数据是在Shimadzu UV-3150紫外-可见分光光度计上收集的。所涉及的1H,13CNMR核磁共振波谱均是使用常温的DMSO-d6溶剂在型号为BRUKERAVANCE NEO 400MHz的核磁共振仪上所测试得到的,其化学位移基于DMSO-d6溶剂峰确定。
实施例1配体tpeb的合成
在100mL的圆底烧瓶中加入1,3,5-三溴苯(2.833g,9mmol)、K2CO3(3.734g,27mmol)、双三苯基膦二氯化钯(0.19g,0.3mmol)、4-乙烯基吡啶(3.38g,30mmol)和DMF(18mL)加入磁石,并用一端气球连接的三通阀将其密封,在N2氛围下抽充5次,置于120℃的油浴锅中,搅拌反应48小时并冷却至室温。然后用CH2CL2溶解反应后的固体,并转移至分液漏斗中进行多次萃取,将有机相合并后用无水MgSO4进行干燥,最后将有机相旋干之后得到纯净的黄色的目标粉末产物tpeb(产率为65%),其核磁共振氢谱如图1所示,核磁共振碳谱如图2所示,合成路线如下:
实施例2配合物[Zn(CBA)2(tpeb)]n(1)的合成
将tpeb(0.1mmol,38.8mg),4-HCBA(0.2mmol,31.2mg)和ZnSO4·7H2O(0.1mmol,28.7mg)加入至35mL厚壁耐压瓶中,再加入2.5mL MeCN与5mL H2O的混合溶液并超声处理5min,随后将瓶子密封后置入程序控温烘箱中进行反应,在150℃恒温12h,以10℃/h的速率冷却至室温,用无水乙醇洗涤后真空干燥收集得到了黄色长针状晶体1。产量为64.1mg(基于Zn的产量为87%)。元素分析C41H29N3Cl2O4Zn,理论值为(%)C,64.48;H,3.80;N,5.50.测量值为(%)C,63.45;H,3.64;N,5.23.红外谱图结果(KBr片):3028(m),1613(s),1550(s),1484(w),1430(m),1397(s),1347(s),1224(m),1131(w),1029(m),965(s),834(s),799(s),685(m),581(w),548(m),521(s)cm-1.
实施例3配合物[Zn(BBa)2(tpeb)]n(2)的合成
将tpeb(0.1mmol,38.8mg),4-HBBA(0.2mmol,40.2mg),ZnSO4·7H2O(0.1mmol,28.7mg),2.5mL MeCN(乙腈)和5mL H2O加入至35mL厚壁耐压瓶中,将瓶子密封后置入程序控温烘箱中进行反应,在150℃恒温12h,以10℃/h的速率冷却至室温,用无水乙醇洗涤后真空干燥收集得到了黄色长针状晶体2。产量为70.6mg(基于Zn的产量为83%)。元素分析C41H29N3Br2O4Zn,理论值为(%)C,57.74;H,3.40;N,4.93.测量值为(%)C,58.06;H,3.32;N,5.04.红外谱图结果(KBr片):3027(m),1613(s),1500(s),1431(w),1389(s),1362(s),1224(m),1171(m),1129(w),1068(m),1029(m),1006(s),965(s),844(s),764(s),682(m),547(m),521(m),473(m)cm-1.
实施例4配合物[Zn(IBa)2(tpeb)]n(3)的合成
将tpeb(0.1mmol,38.8mg),4-HIBA(0.2mmol,51.2mg),ZnSO4·7H2O(0.1mmol,28.7mg),2.5mL乙腈和5mL水加入至35mL厚壁耐压瓶中,将瓶子密封后置入程序控温烘箱中进行反应,在150℃恒温12h,以10℃/h的速率冷却至室温,用无水乙醇洗涤后真空干燥收集得到了黄色长针状晶体3。产量为80.4mg(基于Zn的产量为85%)。元素分析C41H29N3I2O4Zn,理论值为(%)C,52.00;H,3.06;N,4.44.测量值为(%)C,51.29;H,3.872.99;N,4.27.红外谱图结果(KBr片):3028(m),1613(s),1550(s),1484(w),1430(m),1397(s),1347(s),1224(m),1131(w),1029(m),965(s),834(s),799(s),685(m),581(w),548(m),521(m)cm-1.
实施例5复合薄膜的制备
将配合物1-3晶体置于玛瑙研钵中研磨成均匀的粉末,然后将100mg研磨后粉末加入10mL离心管中并加入4mL无水乙醇溶液超声6小时,随后置于烘箱中,恒温60℃烘干过夜。随后将0.9g的该粉末与2.5g 10wt%PVA水溶液混合并搅拌6小时得到均匀的黏稠液。将该黏稠液滴加至表面干燥清洁的玻璃基底并放入80℃的恒温烘箱中12小时。冷却至室温后,可以从玻璃基底上剥离得到三种配合物的复合薄膜,分别为1-PVA,2-PVA,3-PVA。
结果分析
1、配合物的合成
配合物1-3的实验粉末X-射线衍射图谱与单晶数据模拟X-射线衍射图谱基本重合(图3),证明了该系列配合物粉末的纯度。配合物1-3热重分析结果表明(TGA),在N2氛围下三种配合物具有良好的热稳定性,在300℃以下没有重量损失,此后则发生热分解(图4)
2、晶体测定和晶体结构
对实施例2-4所得配合物1-3进行单晶X-射线衍射测试:配合物1-3的晶体数据是在Bruker D8-Quest衍射仪上收集的,均采用Mo Kα(λ=0.071073nm)的强化X-射线光源,配合物1-3的测试温度均是210K。配合物1-3的衍射数据以及晶胞参数是通过CrysAlisProAgilent Technologies(Version 1.171.36.32,2013)程序还原得到,其所有的衍射数据均是通过Lp因子校正和multi-scan吸收校正得到的。配合物1-3的晶体结构是在OLEX2程序上通过直接法解析得到的,并通过最小二乘法矩阵进行了数据精修。所有非氢原子均采用各向异性修正,所有的氢原子均根据合理的几何位置进行理论加氢而得。配合物1-3的主要晶体数据和修正参数如表1和表2所示。
表1配合物1-3的晶体数据
aR1=∑||Fo|-|Fc||/∑|Fo|·bwR2={∑w(Fo 2-Fc 2)2/∑w(Fo 2)2}1/2·cGOF={∑w((Fo 2-Fc 2)2)/(n-p)}1/2,n=反射次数,p=精炼参数的总数。
Symmetry codes:(1)+x,1-y,1-z(2)+x,1-y,1-z(3)A:+x,1-y,1-z;B:2-1-x,+y,1/2-z
配合物1-3均属于立方晶系C2221空间群且结构相似。它们的晶体学不对称单元由一个Zn(II)离子,一个对卤素苯甲酸和半个tpeb配体组成。Zn金属中心与两个XBA中的两个O和tpeb的两个N以变形四面体的方式配位。(图5a)它们是一种1d螺旋链结构(图5b)。螺旋链的主链结构由Zn与tpeb构成,而XBA则位于螺旋链的两侧,tpeb的三个N中只有两个N参与了配位。链与链之间通过π-π共轭作用沿a轴进行堆积(图5c)。每一条链的tpeb配体都与相邻两个链的tpeb配体,按照out of phase的形式排列,相邻烯烃双键间按照交错的方式排列。(图5d)
3、环加成反应
将三种晶体置于365nm的高压汞灯下照射一段时间后取出,三种单晶均发生弯曲,并且晶体表面出现了很多裂痕,有部分晶体炸裂成很多小碎片。尝试测定光照后晶体的结构,但是光照后的晶体衍射点随着光照时间的加长而逐渐变弱直至消失,因此我们无法得到光照后配合物的晶体结构(图6)。于是,将三种配合物的粉末进行光照,其1HNMR图谱中可以察到环丁烷峰的出现(4.7ppm左右),以及吡啶峰的迁移(8.6至8.4ppm),因此可以判定该配合物发生了环加成发应(图7)。通过质谱对环加成的产物进行了表征,质谱结果显示,环加成的产物为多种寡聚体的混合物(图8)。此外,随着光照时间的延长,配合物1-3的荧光峰的强度也逐渐减小,这是由于环加成反应破坏了原来的高度共轭结构(图9)。
分别将1g的配合物1-3粉末置于了365nm的高压汞灯下照射48小时,然后分离寡聚体与未发生环加成反应的tpeb单体(图10),称重并计算得出三种配合物环加成反应的比例和速率。分离和比例计算如下:将在365nm的高压汞灯下照射的配合物1-3粉末(约1g)与4mol/L的NaOH溶(20mL)混合后搅拌6小时使其配合物结构分解。然后将该悬浊液进行抽滤并用蒸馏水洗涤多次,将所得到的的固体产物真空干燥24小时后称重得到m1。随后用CH2CL2将其溶解并用Na2SO4进行干燥处理,将干燥后的有机相与200-300目的中性氧化铝混合后旋干,加入色谱柱中,以乙酸乙酯和甲醇(比例为25:2)为洗脱剂进行分离,得到淡黄色固体产物为未反应的tpeb配体,称重m2并计算环加成反应的比例(1-m2/m1)。
结果表明(表3),1a在该条件下环加成平均反应比例α为87.6%,环加成平均反应速率v为1.825%/h;1b的α为90.6%,v为1.8875%/h;1c的α为93.7%,v为1.95%/h。表明三种配合物的环加成的反应速率与取代基原子大小的变化顺序相同,即按照Cl,Br,I依次递增。
表2-3配合物1-3中环加成反应比例和速率与取代基的关系
取代基 | α(%) | v(%/h) |
Cl | 85.7 | 1.78 |
Br | 89.7 | 1.86 |
I | 93.4 | 1.94 |
4、不同尺寸配合物的光响应行为
光照不同尺寸的三种配合物的单晶,可以发现较宽较厚的单晶容易发生炸裂和跳跃现象,而较细的单晶易发生弯曲(图11),其原因可能为尺寸较大晶体本身具有的杨氏模量更大,在晶体内部发生光环加成反应时所积累的光生应力更大,这种光生应力在短时间内释放会使得晶体发生更为剧烈的形变,诸如炸裂和跳跃。
5、同等大小不同配合物的光响应行为
挑选厚度宽度较小且相同的三种配合物的单晶,将其一端固定,并在它们左侧相同位置施加420nm的紫外光,可以观察到三种晶体都会迅速发生逆光弯曲,但是弯曲速率略有不同。测量并记录了相同的光照时间下,三种配合物晶体的弯曲角度(图12)。表明三种晶体的宏观弯曲速率与环加成反应平均速率的顺序相同,也与取代基原子半径大小顺序排列。
在单晶一侧施加紫外光晶体发生逆光弯曲后,改变入射光的方向,从另一侧光照该晶体时,会发现单晶会逐渐变直并向另一侧弯曲,该可逆过程可以重复三次左右(图13)。
6、复合薄膜光响应性
通过PXRD对实施例5所得复合膜进行表征,其结果如图14所示。将该膜裁剪成3×1cm的小长方形,并将其暴露于紫外光源下,记录光机械运动变形的速率。如图所示,将三种膜暴露于420nm紫外光下,三种膜都会发生迅速背光弯曲。对比三种配合物的膜的变形角度。结果表明(图15),三种膜弯曲速率顺序与三种单晶弯曲速率顺序相同,即3-PVA的反应速率最快,而1-PVA的反应速率最慢。
综上,本发明通过改变辅助羧酸上的取代基得到了三个结构相似的一维螺旋链结构配位聚合物。取代基的原子的半径依次增大,三个配位聚合物在分子结构上的部分参数也有着增大的趋势,最终导致决定环加成反应的光响应烯烃对之间的夹角和距离的顺序变化。三个配合物在紫外光的辐射下发生[2+2]环加成反应,并且环加成反应的比例和速率顺序按照取代基为Cl,Br,I的顺序依次增大。并且我们发现该系列单晶在紫外灯下可以发生机械运动,并进一步探究了取代基的变化对于光致机械运动的影响。研究发现,该系列晶体的光响应行为速率也随着取代基原子大小的增大而变大。此外,成功合成了基于该系列配合物PVA复合薄膜,紫外光照下的三种薄膜的变形速率顺序也与单晶的弯曲速率顺序一致。这个结果可以为开发光致机械器开辟一条新的道路,并且为微调已有光致驱动器的性能提供了思路。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
2.一种权利要求1所述的基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将三烯烃三吡啶、对卤素苯甲酸和锌盐溶于混合溶剂中,加热反应,得到所述基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物;所述混合溶剂为体积比1:2的乙腈与水的混合溶液。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,三烯烃三吡啶、对卤素苯甲酸和锌盐混合后的溶液体系的pH为5-6。
4.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述加热反应的温度为140-160℃,时间为10-15h。
5.一种复合膜,其特征在于,包括权利要求1所述的光刺激响应配位聚合物。
6.一种权利要求5所述的复合膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤,
S1:将所述光刺激响应配位聚合物研磨并分散在溶剂中,干燥,得到粉末;
S2:将所述粉末加入基底中,混匀后烘干,得到所述复合膜。
7.如权利要求6所述的的制备方法,其特征在于,所述基底选自PVA、聚丙烯和聚偏二氟乙烯中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的基于[2+2]光环加成反应的光刺激响应配位聚合物,或权利要求5所述的复合膜在光致驱动中的应用。
9.如权利要求9所述的应用,其特征在于,采用紫外光诱导。
10.一种光致驱动装置,其特征在于,包括权利要求5所述的复合膜。
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