CN115386082A - 含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法 - Google Patents
含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115386082A CN115386082A CN202211073344.6A CN202211073344A CN115386082A CN 115386082 A CN115386082 A CN 115386082A CN 202211073344 A CN202211073344 A CN 202211073344A CN 115386082 A CN115386082 A CN 115386082A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cage
- organic framework
- covalent organic
- framework material
- material containing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 239000013310 covalent-organic framework Substances 0.000 title claims description 93
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 title description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 28
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 51
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 47
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 27
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- ZMANZCXQSJIPKH-UHFFFAOYSA-N Triethylamine Chemical group CCN(CC)CC ZMANZCXQSJIPKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000000047 product Substances 0.000 claims description 14
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- JGFZNNIVVJXRND-UHFFFAOYSA-N N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA) Chemical compound CCN(C(C)C)C(C)C JGFZNNIVVJXRND-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 11
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 11
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 10
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 9
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- JYEUMXHLPRZUAT-UHFFFAOYSA-N 1,2,3-triazine Chemical group C1=CN=NN=C1 JYEUMXHLPRZUAT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 125000001841 imino group Chemical group [H]N=* 0.000 claims description 6
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 239000012065 filter cake Substances 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 5
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims description 4
- LPLMXFLPRPIJBA-UHFFFAOYSA-N benzene-1,3,5-triol;propan-2-one Chemical compound CC(C)=O.OC1=CC(O)=CC(O)=C1 LPLMXFLPRPIJBA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 4
- MGNCLNQXLYJVJD-UHFFFAOYSA-N cyanuric chloride Chemical compound ClC1=NC(Cl)=NC(Cl)=N1 MGNCLNQXLYJVJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RYHBNJHYFVUHQT-UHFFFAOYSA-N 1,4-Dioxane Chemical compound C1COCCO1 RYHBNJHYFVUHQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JPYHHZQJCSQRJY-UHFFFAOYSA-N Phloroglucinol Natural products CCC=CCC=CCC=CCC=CCCCCC(=O)C1=C(O)C=C(O)C=C1O JPYHHZQJCSQRJY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000005457 ice water Substances 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 claims description 2
- QCDYQQDYXPDABM-UHFFFAOYSA-N phloroglucinol Chemical compound OC1=CC(O)=CC(O)=C1 QCDYQQDYXPDABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229960001553 phloroglucinol Drugs 0.000 claims description 2
- 238000002390 rotary evaporation Methods 0.000 claims description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- ASYKJTDLTJCROP-UHFFFAOYSA-N propan-2-one 1,3,5-triazine-2,4,6-triamine Chemical compound CC(=O)C.N1=C(N)N=C(N)N=C1N ASYKJTDLTJCROP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- OPXYNEYEDHAXOM-UHFFFAOYSA-N 3-oxobutanenitrile Chemical compound CC(=O)CC#N OPXYNEYEDHAXOM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000004440 column chromatography Methods 0.000 claims 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 9
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 13
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 5
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 125000001309 chloro group Chemical group Cl* 0.000 description 3
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 description 3
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 3
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 3
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 2
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 2
- 125000004193 piperazinyl group Chemical group 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000002516 radical scavenger Substances 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 2
- 125000003172 aldehyde group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 238000004587 chromatography analysis Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 238000005384 cross polarization magic-angle spinning Methods 0.000 description 1
- 125000004093 cyano group Chemical group *C#N 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- QIUBLANJVAOHHY-UHFFFAOYSA-N hydrogen isocyanide Chemical compound [NH+]#[C-] QIUBLANJVAOHHY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002466 imines Chemical class 0.000 description 1
- -1 imino compound Chemical class 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 208000020442 loss of weight Diseases 0.000 description 1
- 239000012229 microporous material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen(.) Chemical compound [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000655 nuclear magnetic resonance spectrum Methods 0.000 description 1
- 150000007530 organic bases Chemical class 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000004729 solvothermal method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
- 208000016261 weight loss Diseases 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
- C08G73/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups C08G12/00 - C08G71/00
- C08G73/06—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain of the macromolecule
- C08G73/0683—Polycondensates containing six-membered rings, condensed with other rings, with nitrogen atoms as the only ring hetero atoms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
- C08G73/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups C08G12/00 - C08G71/00
- C08G73/06—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain of the macromolecule
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
Abstract
一种含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其制备方法,其是以Cage‑3Cl和Cage‑3NH2为原料,以无水二甲基亚砜为溶剂,前体价格低廉,中间体容易合成,在无贵金属催化情况下,用溶剂热合成法制备了多孔有机共价框架材料Cage‑COF,具有方法简单,反应条件温和,合成产率高等优点;合成的COF材料比表面积大,含氮量高,稳定性好,在吸附与分离、生物医药、光电催化、传感器等领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及共价有机框架材料的制备技术领域,具体的说是一种含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法。
背景技术
多孔材料在材料化学和工业生产中占据重要地位,一直是科学研究的热点领域之一,其典型代表为共价有机框架材料(Covalent Organic Framework,COFs)。COFs是由两种或多种有机建筑单元通过共价键连接的具有长程有序结构的多孔聚合物。COFs材料的出现极大的推动了功能性多孔材料的发展历程,为了全面探索多孔材料研究领域,不断的构筑新型COFs材料是至关重要的。在过去的几十年中,COFs材料的应用范围已经从早期的气体吸附与分离,延伸至催化、电池、传感器、能量储存、光电、生物医药甚至环境科学等众多范畴。
在有机多孔材料中,共价有机框架材料引起了人们的广泛关注。相比传统的无机多孔材料和无机-有机杂化多孔材料而言具有如下优势:
(1)共价有机框架材料仅包含C、H、O、N、B、S、Si等轻元素,因此框架具有低质量密度、较大的比表面积和较高的孔隙率;
(2)其合成条件相对温和,部分共价有机框架材料可以在室温条件下成功合成;
(3)种类众多、结构繁多的有机前驱体和多样的合成方案,可以制得特征丰富的共价有机框架材料;
(4)牢固的强共价键连接,在高温、潮湿、酸碱、氧化性等条件下均有着很好的稳定性;
(5)材料的反应单元结构和性质可设计且反应过程可控,因此共价有机框架的结构和功能可调控。
现代研究发现,具有笼状单元结构的共价有机框架材料具有结构稳固,性能稳定等优异特性。在吸附与分离、生物医药、光电催化、传感器等领域具有很好的应用前景。因此,本申请致力于设计合成一种含有笼状单元结构,结构新颖、性能优异,且制备成本低的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料。
发明内容
本发明的技术目的为:提供一种结构新颖、合成成本低、产率高、工艺简单,成品聚合物呈亚氨基连接的含有笼状单元的三嗪结构,材料的质量密度较低,稳定性好,应用前景广泛的多孔共价有机框架材料。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料,该多孔共价有机框架材料呈亚氨基连接的含有笼状单元的三嗪结构,其结构式为:
含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、按照物质的量比为1:2~4的比例,分别取Cage-3NH2和吸酸剂溶于无水二甲基亚砜中,充分混匀后制得悬浊液A,备用;
其中,Cage-3NH2的结构式为:
S2、取与步骤S1中的Cage-3NH2相同摩尔量的Cage-3Cl溶于无水二甲基亚砜中,充分混匀后制得溶液B,备用;
其中,Cage-3Cl的结构式为:
S3、将步骤S2制得的溶液B滴加至步骤S1制得的悬浊液A中,之后,将所得混合溶液于氮气保护和120~180℃油浴加热环境下,进行搅拌回流反应12~48h,自然冷却至室温后,得到反应产物,备用;
S4、对步骤S3制得的反应产物进行抽滤,并依次采用N,N’-二甲基甲酰胺、去离子水和甲醇对所得滤饼分别进行洗涤2~3次,直至洗涤后所得液体呈无色状态,之后,100℃真空干燥12-24h,即得深褐色粉末状目标产物Cage-COF。
优选的,在步骤S1中,所述的吸酸剂为三乙胺、N,N’-二异丙基乙胺或氢氧化钾。
优选的,所述的吸酸剂为氢氧化钾。
优选的,所述Cage-3NH2和氢氧化钾的物质的量比为1:3。
优选的,在步骤S2中,所用无水二甲基亚砜的量与步骤S1中无水二甲基亚砜的量相同。
优选的,在步骤S3中,所述的油浴温度为160℃,反应时间为24h。
优选的,所述步骤S1中Cage-3NH2的制备方法为:
按照摩尔比为1:240的比例,分别取Cage-3Cl和氨水作为原料,之后,按照0.5mol/L的比例,取1,4-二氧六环溶液与预先称取的Cage-3Cl进行充分混合,并将所得混合物置于反应釜内,之后,将反应釜置于冰水浴中,再将预先称取的氨水逐滴滴加至反应釜内,在充入氩气保护条件下,密封反应釜,于140℃恒温环境下进行连续反应5h,之后,自然冷却至室温,过滤后,用水对所得滤饼进行洗涤,在用甲醇进行重结晶后,即得亮黄色结晶状产物Cage-3NH2。
优选的,所述步骤S2中Cage-3Cl的制备方法为:
按照摩尔比为2:3:3.6的比例,分别取无水间苯三酚、三聚氯氰和N,N’-二异丙基乙胺作为原料,之后,将该三种原料分别溶于丙酮溶液中,制得间苯三酚丙酮溶液、三聚氯氰丙酮溶液和N,N’-二异丙基乙胺丙酮溶液,之后,将制得的间苯三酚丙酮溶液和三聚氯氰丙酮溶液以12-13mL/h的滴加速度滴加至N,N’-二异丙基乙胺丙酮溶液中,然后,将所得混合溶液于不断搅拌条件下进行连续反应90-100h,之后,对所得反应产物进行旋蒸除去溶剂,再利用石油醚和乙酸乙酯配制成的展开剂进行色谱柱层析纯化,即得淡黄色结晶状产物Cage-3Cl。
优选的,所述间苯三酚丙酮溶液和三聚氯氰丙酮溶液的滴加速度相同。
有益效果
1、本发明制备合成的多孔共价有机框架材料结构新颖、成品聚合物呈亚氨基连接的含有笼状单元的三嗪结构,比表面积大、质量密度小、含氮量高(含氮量理论值:29.29%;实验测量值:29.16%)、稳定性好,在吸附、传感器、电池电极材料以及光电催化等领域具有良好的应用前景。
2、本发明的制备工艺步骤简单、操作方便,在绿色无金属催化情况下,采用溶剂热法,以Cage-3Cl和Cage-3NH2为原料(两者都是笼形配体),以无水二甲基亚砜为溶剂,快速、高效地合成了一种二维的,由纯笼形构筑单元构成的共价有机框架材料,命名为Cage-COF,工艺中前体的价格低廉,中间体容易合成,且方法操作简单,反应条件温和,合成产率高。制备过程中碱性吸酸剂的加入,能够中和前驱体Cage-3NH2与Cage-3Cl聚合过程中生成的HCl,以通过对反应产物的部分消耗,促使反应向正向方向不断进行,进而实现成品产率的提高。其中,碱性吸酸剂中的无机碱氢氧化钾,价格低廉、性能稳定、绿色环保,利用氢氧化钾对缩合反应进行处理后,制备得到的产物只需过滤、水洗、有机溶剂洗涤的方式,即可除去未反应的吸酸剂、低聚物和反应原料等杂质,以获得纯度较高的Cage-COF材料,具有后处理过程简单,方便高效,除杂成本低等优点。同时,碱性吸酸剂中的无机碱氢氧化钾相较于有机碱三乙胺和N,N’-二异丙基乙胺等相比,成品的产率更高,且可有效减少有机溶剂对人体和环境造成的危害和污染,环保性更好。
3、本发明的制备工艺中所采用的构筑前驱体Cage-3NH2与Cage-3Cl,制备方法简单,成本较低,两种构筑前驱体均为三维骨架单体,且均含有笼状结构,结构独特新颖,用于制备成品Cage-COF时,稳定性好,含氮量高。
4、采用本发明的制备工艺所制得的Cage-COF具有较高的N/C比,反应过程选择吸酸剂,即强碱氢氧化钾参与,不选择有机碱,降低成本的同时减少了对环境的污染。现有技术多数报道胺醛缩合反应制得的共价有机框架材料,后处理繁琐、纯度低,本发明没有采用传统的胺醛缩合反应而是氨基和氯原子缩合脱去氯化氢聚合反应,通过简单的洗涤洗去未反应的吸酸剂和单体,不仅保证合成材料纯度,而且反应完全、比表面积大。
5、传统共价有机框架材料的构建最早是依据硼酸羟基的缩合反应,优点是合成简单、比表面积大,缺点是B-O键热稳定性和化学稳定性差,在水和空气中不稳定且结构容易变形,体系的共轭性也会受到影响。再者,目前研究的共价有机框架材料主要为醛基与氨基缩合形成亚胺基和酰肼键、氰基自聚等,此类方法合成COFs的缺点是成本高。基于此,本发明通过Cage-3NH2与Cage-3Cl的聚合反应脱去HCl得到亚氨基连接的三嗪结构的多孔共价有机框架材料Cage-COF,优点是合成成本低、产率高、合成工艺简单,产品稳定性好。
附图说明
图1是实施例1的制备过程反应式;
图2为实施例1制得的Cage-COF的红外光谱图;
图3为实施例1制得的Cage-COF的固体核磁谱图;
图4为实施例1制得的Cage-COF的氮气洗脱附曲线;
图5为实施例1制得的Cage-COF的孔径分布图;
图6为实施例1制得的Cage-COF的扫描电镜图;
图7为实施例1制得的Cage-COF的热重分析图。
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详细的说明:
含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料,该多孔共价有机框架材料呈亚氨基连接的含有笼状单元的三嗪结构,其结构式为:
其制备合成方法为:将(Cage-3NH2)和吸酸剂溶于有机溶剂二甲亚砜中,搅拌形成悬浊液,然后加入含有(Cage-3Cl)的有机溶液二甲亚砜,然后在保护气体的保护下升温至120~180℃进行反应,制得所述亚氨基型含有笼状单元结构的Cage-COF材料。
上述工艺中的笼状单元可表示为:
具体的合成制备步骤为:
将物质的量比为1:2~4的Cage-3NH2和吸酸剂溶于无水二甲基亚砜中,混合均匀得到悬浊液A,然后在等体积的无水二甲基亚砜中加入与Cage-3NH2等物质量的Cage-3Cl,混合均匀得到溶液B;将溶液B缓慢滴加到悬浊液A中,得到的混合溶液在氮气环境下120~180℃油浴中加热搅拌回流12~48h,自然冷却至室温,抽滤,滤饼用N,N’-二甲基甲酰胺、去离子水、甲醇各洗涤2~3次,洗涤至滤液无色;100℃真空干燥过夜,得到深褐色粉末Cage-COF,产率50-65%。
其中,所述吸酸剂为三乙胺、N,N’-二异丙基乙胺或氢氧化钾,吸酸剂为氢氧化钾反应最佳。Cage-3NH2和氢氧化钾的物质的量比为1:3反应最佳。
Cage-3NH2的制备方法为:
按照摩尔比为1:240的比例,分别取Cage-3Cl和氨水作为原料,之后,按照0.5mol/L的比例,取1,4-二氧六环溶液与预先称取的Cage-3Cl进行充分混合,并将所得混合物置于反应釜内,之后,将反应釜置于冰水浴中,再将预先称取的氨水逐滴滴加至反应釜内,在充入氩气保护条件下,密封反应釜,于140℃恒温环境下进行持续反应5h,之后,自然冷却至室温,过滤后,用水对所得滤饼进行洗涤,在用甲醇进行重结晶后,即得亮黄色结晶状产物Cage-3NH2。
Cage-3Cl的制备方法为:
按照摩尔比为2:3:3.6的比例,分别取无水间苯三酚、三聚氯氰和N,N’-二异丙基乙胺作为原料,之后,将该三种原料分别溶于丙酮溶液中,制得间苯三酚丙酮溶液、三聚氯氰丙酮溶液和N,N’-二异丙基乙胺丙酮溶液,之后,将制得的间苯三酚丙酮溶液和三聚氯氰丙酮溶液以12-13mL/h的滴加速度滴加至N,N’-二异丙基乙胺丙酮溶液中,间苯三酚丙酮溶液和三聚氯氰丙酮溶液的滴加速度相同,然后,将所得混合溶液于不断搅拌条件下进行连续反应90-100h,之后,对所得反应产物进行旋蒸除去溶剂,再利用石油醚和乙酸乙酯配制成的展开剂进行色谱柱层析纯化,即得淡黄色结晶状产物Cage-3Cl。
本发明是针对目前COFs的合成存在的成本高、实验过程复杂、质量密度低等问题,提出了一种含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的合成方法,从设计合适的含笼状有机配体构筑单元出发,通过高效的合成反应将其构建成新型功能化共价有机框架材料,是一种制备成本低廉、合成工艺简单、化学稳定性强、热稳定性高的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的合成方法。
实施例1
Cage-3Cl的制备:取无水间苯三酚(0.252g,2mmol)溶于50mL丙酮溶液,三聚氯氰(0.580g,3mmol)溶于50mL丙酮溶液;N,N’-二异丙基乙胺(DIPEA)(0.464g,0.63mL,3.6mmol)溶于50mL丙酮溶液;将前两者以同样的速度在室温下逐滴滴加4h加入后者溶液中;滴加完毕,混合液在室温下搅拌连续反应4天,旋蒸除去溶剂,石油醚和乙酸乙酯溶液配成展开剂色谱柱层析纯化,得到最终产物淡黄色结晶体Cage-3Cl。
Cage-3NH2的制备:取Cage-3Cl(578mg,1mmol)和1,4-二氧六环溶液2mL充分混合倒入反应釜中,在冰水浴中逐滴滴加氨水(0.24mol,450μL),充入氩气作为保护气体,密封反应釜,于140℃恒温烘箱连续反应5小时。自然冷却至室温,过滤除去溶剂和未反应的氨水,用水充分洗涤生成的杂质,然后用甲醇进行重结晶,制备出亮黄色结晶物Cage-3NH2。
将物质的量比为1:3的Cage-3NH2和氢氧化钾溶于无水二甲基亚砜中,混合均匀得到悬浊液A,然后在等体积的无水二甲基亚砜中加入与Cage-3NH2等物质量的Cage-3Cl,混合均匀得到溶液B。将溶液B缓慢滴加到悬浊液A中,得到的混合溶液在氮气环境下160℃油浴中加热搅拌回流24h。自然冷却至室温,抽滤,滤饼用N,N’-二甲基甲酰胺、去离子水、甲醇各洗涤2~3次,洗涤至滤液无色。100℃真空干燥过夜,得到深褐色粉末Cage-COF,产率为65%。产品比表面积为219.87m2/g,孔径为2.16纳米。
实施例2
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的氢氧化钾替换为三乙胺,最终制得的成品Cage-COF的产率为52%。
实施例3
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的氢氧化钾替换为N,N'-二异丙基乙胺,最终制得的成品Cage-COF的产率为55%。
实施例4
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的Cage-3NH2和氢氧化钾的物质的量比调整为1:2,最终制得的成品Cage-COF的产率为53%。
实施例5
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的Cage-3NH2和氢氧化钾的物质的量比调整为1:4,最终制得的成品Cage-COF的产率为55%。
实施例6
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的反应温度调整为120℃,最终制得的成品Cage-COF的产率为58%。
实施例7
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的反应温度调整为140℃,最终制得的成品Cage-COF的产率为60%。
实施例8
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的反应温度调整为180℃,最终制得的成品Cage-COF的产率为60%。
在实施例1、实施例6、实施例7和实施例8的具体操作过程中发现:反应温度低于160℃时,反应较慢;温度高于160℃,反应更加迅速完成,但随着反应的进一步进行,产物会呈现黑褐色,且沉淀物很少。因此,反应温度控制在160℃为最优状态。
实施例9
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的反应时间调整为12h,最终制得的成品Cage-COF的产率为55%。
实施例10
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的反应时间调整为40h,最终制得的成品Cage-COF的产率为58%。
实施例11
本实施例中Cage-3Cl和Cage-3NH2的制备方法与实施例1相同。
Cage-COF的具体制备工艺也同实施例1,仅将实施例1中的反应时间调整为48h,最终制得的成品Cage-COF的产率为56%。
在实施例1、实施例9、实施例10和实施例11的具体操作过程中发现:反应时间少于24h,反应不完全;反应时间超过24h,反应产物会呈现黑褐色且沉淀物更少。因此,反应时间控制在24h为最优状态。
对实施例1合成的Cage-COF进行性能分析结果如下:
FT-IR分析:图2为本发明实施例1合成的Cage-COF材料的FT-IR图。图中,Cage-3NH2的-NH2键的伸缩和弯曲振动峰以及Cage-3Cl的-Cl伸缩振动峰,三处的信号特征峰在Cage-COF中均完全消失,证明了所有氨基和氯原子都参与了聚合反应,Cage-COF成功合成。
13C固体核磁谱图分析:图3为用固体高分辨魔角核磁共振波谱13C CPMAS-NMR对本发明实施例1合成Cage-COF材料的结构特征进行了表征。C1、C2、C3、C4为Cage-COF的笼状单元上四组碳的信号特征峰,C1对应于笼状单元上哌嗪环连接亚氨基碳的特征峰,C2对应于笼状单元上哌嗪环上连接氧元素碳的特征峰,C3对应于笼状单元上苯环连接氧元素碳的特征峰,C4对应于笼状单元上苯环碳的特征峰。该测试结果进一步验证了Cage-COF框架中碳原子的化学环境以及成键类型。
氮气吸脱附曲线分析:图4为本发明实施例1合成的Cage-COF材料在77K氮气吸附条件下的吸附等温线。首先充分研磨的粉末在测试前经120℃下真空干燥12小时以除去骨架孔道中的客体溶剂分子。然后在77K下对Cage-COF进行了氮气吸附-脱附测试实验,吸脱附曲线在P/P0=1之前有明显的吸附峰,并且吸脱附起曲线程度高,说明吸脱附过程有良好的可逆性。材料具有典型的I型气体吸附曲线,说明在Cage-COF中存在微孔结构。通过对曲线进行模拟和分析,Cage-COF的Langmuir模型比表面积为367.11m2g-1,BET模型比表面积为219.87m2g-1。
孔径分布曲线分析:图5为本发明实施例1合成的Cage-COF材料的孔径分布曲线图。孔径分布曲线根据BJH模型进行模拟,可以看出孔径分布均勾,经过计算材料的平均孔径约为3.14nm,说明此产物为微孔材料。
扫描电镜分析:图6为本发明实施例1合成的Cage-COF材料的扫描电镜图,扫描电子显微镜照片表明,产物颗粒大小均匀,结构疏松,颗粒表面光滑,粒径约为300-600nm,无规则形状。
热稳定性测试:图7为本发明实施例1合成的Cage-COF材料在氮气条件下的热重分析曲线(TGA),首先测试之前材料在100℃活化8小时,然后进行测试,温度低于450℃的曲线为一个平台,基本没有失重现象的发生,表明材料热稳定性好。Cage-COF随着升温达到450℃时结构开始塌陷而分解,产生明显迅速的失重。该测试表明Cage-COF的热稳定性温度能达到450℃,具有很高的热稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、按照物质的量比为1:2~4的比例,分别取Cage-3NH2和吸酸剂溶于无水二甲基亚砜中,充分混匀后制得悬浊液A,备用;
其中,Cage-3NH2的结构式为:
S2、取与步骤S1中的Cage-3NH2相同摩尔量的Cage-3Cl溶于无水二甲基亚砜中,充分混匀后制得溶液B,备用;
其中,Cage-3Cl的结构式为:
S3、将步骤S2制得的溶液B滴加至步骤S1制得的悬浊液A中,之后,将所得混合溶液于氮气保护和120~180℃油浴加热环境下,进行搅拌回流反应12~48h,自然冷却至室温后,得到反应产物,备用;
S4、对步骤S3制得的反应产物进行抽滤,并依次采用N,N’-二甲基甲酰胺、去离子水和甲醇对所得滤饼分别进行洗涤2~3次,直至洗涤后所得液体呈无色状态,之后,100℃真空干燥12-24h,即得深褐色粉末状目标产物Cage-COF。
3.根据权利要求2所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:在步骤S1中,所述的吸酸剂为三乙胺、N,N’-二异丙基乙胺或氢氧化钾。
4.根据权利要求3所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述的吸酸剂为氢氧化钾。
5.根据权利要求4所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述Cage-3NH2和氢氧化钾的物质的量比为1:3。
6.根据权利要求2所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:在步骤S2中,所用无水二甲基亚砜的量与步骤S1中无水二甲基亚砜的量相同。
7.根据权利要求2所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:在步骤S3中,所述的油浴温度为160℃,反应时间为24h。
8.根据权利要求2所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中Cage-3NH2的制备方法为:
按照摩尔比为1:240的比例,分别取Cage-3Cl和氨水作为原料,之后,按照0.5mol/L的比例,取1,4-二氧六环溶液与预先称取的Cage-3Cl进行充分混合,并将所得混合物置于反应釜内,之后,将反应釜置于冰水浴中,再将预先称取的氨水逐滴滴加至反应釜内,在充入氩气保护条件下,密封反应釜,于140℃恒温环境下进行连续反应5h,之后,自然冷却至室温,过滤后,用水对所得滤饼进行洗涤,在用甲醇进行重结晶后,即得亮黄色结晶状产物Cage-3NH2。
9.根据权利要求2所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中Cage-3Cl的制备方法为:
按照摩尔比为2:3:3.6的比例,分别取无水间苯三酚、三聚氯氰和N,N’-二异丙基乙胺作为原料,之后,将该三种原料分别溶于丙酮溶液中,制得间苯三酚丙酮溶液、三聚氯氰丙酮溶液和N,N’-二异丙基乙胺丙酮溶液,之后,将制得的间苯三酚丙酮溶液和三聚氯氰丙酮溶液以12-13mL/h的滴加速度滴加至N,N’-二异丙基乙胺丙酮溶液中,然后,将所得混合溶液于不断搅拌条件下进行连续反应90-100h,之后,对所得反应产物进行旋蒸除去溶剂,再利用石油醚和乙酸乙酯配制成的展开剂进行色谱柱层析纯化,即得淡黄色结晶状产物Cage-3Cl。
10.根据权利要求9所述的含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述间苯三酚丙酮溶液和三聚氯氰丙酮溶液的滴加速度相同。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211073344.6A CN115386082B (zh) | 2022-09-02 | 2022-09-02 | 含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211073344.6A CN115386082B (zh) | 2022-09-02 | 2022-09-02 | 含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115386082A true CN115386082A (zh) | 2022-11-25 |
CN115386082B CN115386082B (zh) | 2024-06-14 |
Family
ID=84124597
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202211073344.6A Active CN115386082B (zh) | 2022-09-02 | 2022-09-02 | 含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115386082B (zh) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20150121982A (ko) * | 2014-04-22 | 2015-10-30 | 한국과학기술원 | 벤조옥사졸로 연결되어 있는 2차원 내다공성 유기 고분자 및 그 용도 |
CN106967216A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-07-21 | 吉林大学 | 一种亚胺联接的共价有机骨架材料及其制备方法与应用 |
CN112604713A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-06 | 北京大学 | 具有哒嗪结构的亚胺型共价有机框架六价铬光催化剂、制备方法及其应用 |
CN112898515A (zh) * | 2021-01-23 | 2021-06-04 | 西安科技大学 | 具有三嗪结构的多孔共价有机框架材料的制备方法 |
CN114316170A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-04-12 | 吉林大学 | 一种三维共价有机框架材料、制备方法及其在二氧化碳和氮气吸附方面的应用 |
-
2022
- 2022-09-02 CN CN202211073344.6A patent/CN115386082B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20150121982A (ko) * | 2014-04-22 | 2015-10-30 | 한국과학기술원 | 벤조옥사졸로 연결되어 있는 2차원 내다공성 유기 고분자 및 그 용도 |
CN106967216A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-07-21 | 吉林大学 | 一种亚胺联接的共价有机骨架材料及其制备方法与应用 |
CN112604713A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-06 | 北京大学 | 具有哒嗪结构的亚胺型共价有机框架六价铬光催化剂、制备方法及其应用 |
CN112898515A (zh) * | 2021-01-23 | 2021-06-04 | 西安科技大学 | 具有三嗪结构的多孔共价有机框架材料的制备方法 |
CN114316170A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-04-12 | 吉林大学 | 一种三维共价有机框架材料、制备方法及其在二氧化碳和氮气吸附方面的应用 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
MING LI ET AL.: "A cage-based covalent organic framework for drug delivery", 《NEW J. CHEM》, vol. 45, 15 December 2020 (2020-12-15), pages 3343 - 3348 * |
MING LI ET AL.: "Luminescent covalent organic framework as a recyclable turn-off fluorescent sensor for cations and anions in aqueous solution", 《J. MATER. CHEM. C》, vol. 7, 9 September 2019 (2019-09-09), pages 11919 - 11925 * |
李明: "基于含笼状单元构筑的共价有机框架材料的设计合成及性质研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》, no. 01, 15 January 2022 (2022-01-15), pages 020 - 205 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115386082B (zh) | 2024-06-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN112898515B (zh) | 具有三嗪结构的多孔共价有机框架材料的制备方法 | |
CN111205478B (zh) | 三维共价有机框架化合物及其制备方法,以及其应用 | |
CN113087923A (zh) | 一种吖嗪连接的苯并三噻吩基共价有机框架材料及制备方法和应用 | |
CN115010906B (zh) | 一种具有tnp结构的多孔共价有机框架材料的合成方法 | |
CN114456338B (zh) | 一种苯并咪唑基共价有机框架材料的光催化合成方法 | |
CN112574370B (zh) | 一种三维含羟基共价有机骨架材料及其制备方法 | |
Zhang et al. | Acid-base bifunctional metal-organic frameworks: green synthesis and application in one-pot glucose to 5-HMF conversion | |
CN110240708B (zh) | 一种水相合成共价有机框架材料及其制备方法 | |
CN111825849B (zh) | 含脲基的金属-有机框架化合物及其制备方法 | |
CN109762142B (zh) | 一种基于光热效应调控二氧化碳吸附的共轭高分子材料 | |
CN112500562A (zh) | 一种基于三蝶烯的氨基衍生物的三维共价有机框架材料及其制备方法 | |
CN115386082A (zh) | 含有笼状单元结构的多孔共价有机框架材料及其合成方法 | |
CN115433332B (zh) | 一种三亚苯功能化自由基共价有机框架材料及其制备方法和应用 | |
CN114456337B (zh) | 一种应用于高温、低浓度条件下放射性碘吸附的离子型多孔有机笼材料制备方法 | |
CN113881041B (zh) | 一种可规模化制备高结晶高比表面积共价三嗪框架的方法 | |
CN114605602B (zh) | 一种多级孔共价有机框架化合物及其制备方法与应用 | |
CN114292412B (zh) | 基于喹啉环连接的共价有机框架材料及其制备方法 | |
CN114560982A (zh) | 基于三吡啶三甲醛的二维共价有机框架材料及其制备方法与应用 | |
CN113072511B (zh) | 一种含氟三嗪基有机多孔材料的制备方法 | |
Tan et al. | Chiral covalent organic frameworks synthesized via a Suzuki–Miyaura-coupling reaction: enantioselective recognition of d/l-amino acids | |
CN114085388A (zh) | 一种含恶二唑连接基元的共价有机框架材料 | |
CN108117513B (zh) | 三维联吡啶功能化的有机多孔材料及其合成方法和应用 | |
CN114573828B (zh) | 具有bcu网络结构的芘基三维共价有机框架化合物及其制备与应用 | |
CN114907571B (zh) | 一种基于双功能吡啶羧酸卟啉配体的Eu的金属-有机框架材料的制备及应用 | |
CN114854033B (zh) | 一种基于非平面卟啉配体的Eu的金属-有机框架材料的制备及应用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |