一类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物及其合成方法和应用
技术领域:本发明属于碱金属-有机框架聚合物及其合成方法和应用。具体的说就是一类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物及其合成方法和应用。
背景技术:甲醇(Methanol,Methyl alcohol)又名木醇、木酒精,是一种最简单的饱和醇。甲醇用途广泛,是基础的有机化工原料和优质燃料,主要应用于精细化工、塑料等领域,用来制造甲醛、合成橡胶、甲胺、对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、氯甲烷、醋酸、甲基叔丁基醚等多种有机产品,也是农药、医药的重要原料之一,而且还可以加入汽油掺烧或代替汽油作为动力燃料以及用来合成甲醇蛋白。随近几年来,随着石油价格的持续上升,石油燃料能源短缺引起的经济问题日显严重。甲醇作为一种燃料又重新获得重视。
瓜环(Cucurbit[n]urils)是超分子化学中继冠醚(crowneth er)、环糊精(eyclodetrin)、杯芳烃(calixarene)之后备受瞩目的一类新型笼状大环主体分子化合物是新型笼状大环化合物。它是一类由n个苷脲单元和2n个亚甲基桥连起来的大环笼状化合物。其具有内疏水外亲水的空腔结构。瓜环的疏水的空腔,不但能够包结胺离子,Cl-等,另外还能选择性的包结NO3 -;而且能够捕集CH4,C2H4,N2,O2,CO2等气体分子。此外,由于瓜环两个端口“镶嵌”着一圈羰基氧原子,可以与多种金属离子相互作用,并能对某些金属离子进行识别。
金属一有机骨架(Metal Organic Framework,MOF)化合物是近十年来学术界广泛重视的一种利用有机配体与金属离子间的金属。配体配位作用而自组装形成的具有规则孔道或者空穴结构的晶态多孔材料。这一类材料不仅具有超分子微孔网络结构的类沸石(有机沸石类似物)结构。而且它的结构具有可设计和可裁剪性,通过拓扑结构的定向设计和有机物的选择可以获得不同尺寸和不用构造的孔道或者空穴。具有多样性的结构组成、较大的比表面积和孔隙率、可裁剪性的孔等特点,可应用于吸附分离、气体储存、分子识别、光电性能、磁性传导、传感器、生物模拟、微反应器、医学诊疗等方面拥有诱人的应用潜力。
金属-瓜环有机框架聚合物的研究现状:近二十年,瓜环化学的研究进展迅速,其中新拓展的研究领域就是以瓜环为构筑单元,设计合成瓜环基金属-有机框架聚合物。1999年,韩国的Kim课题组报道了首例由铷离子与六元瓜环直接配位形成的一维管状结构。次年他们在同一期刊又报道了以六元瓜环,金属离子Tb和长链客体分子1,4-二(对胺基甲基苯甲酸)丁烷,形成的类轮烷型的金属-有机框架化合物。2008年,南开大学刘育教授课题组合成并表征了基于聚苯胺和七元瓜环形成的一维聚假轮烷。而厦门大学龙腊生教授课题组利用John-Teller效应原理,首次把过渡金属离子Cu2+和瓜环连接起来。得到的一维管状结构,在导电和介电方面表现出特殊的性质。
设计与合成有特殊结构的骨架材料是化学界一个很大的挑战。主要的问题是:(1)当客体或模板分子移走后,合成的骨架容易坍塌。因此,合成过程中模板试剂不能与形成的骨架有很强的作用,如果作用力很强,当模板试剂从骨架中移走时,就会改变或毁坏原有骨架。另外,应使有机配体和金属离子之间的作用最强,而保持模板试剂与骨架之间的作用最小。(2)两个相同结构网络的相互贯通是合成大孔材料的普遍障碍。MOF的孔并不总是被模板试剂填充,而是存在骨架结构之间的相互贯通,一个骨架的孔隙被另一骨架占去部分或全部,从而使骨架失去吸附分子或离子的能力。(3)大多数情况下,合成的MOF的结晶度较差,甚至有时为非晶态物质,从而不能进行单晶衍射来表征物质的结构。
金属-瓜环有机框架聚合物的吸附分离现状:MOF材料作为孔径、比表面积及孔体积可调控的一类新型多孔材料,其在吸附分离方面有巨大的应用潜力。结构稳定的MOF可保持永久的孔度,比表面积大,晶体中自由体积百分率远远超过沸石等传统的多孔材料,去掉溶剂后的晶体密度也很小,这些都是MOF作为吸附材料的优势。对于MOF特殊的吸附性能,目前主要集中在氢和甲烷等燃料气的存储方面。2008年Kim课题组研究了六元瓜环相互间通过氢键作用形成的孔穴结构对乙炔分子的吸附作用。
发明内容:本发明的目的在于研究设计合成一类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物,研究这类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物的合成方法,研究这类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物的性质,并根据其特殊性质研究这类聚合物可能在各方面的应用。
本发明的发明人,已研究设计了一类瓜环基碱金属-有机框架聚合物及其制备方法,并已申请国家专利,申请号201010204118.8,本发明是在上述专利申请研究基础的进一步研究和发展,将已获得的瓜环基碱金属-有机框架聚合物通过物理手段,去除诱导剂(或称模板试剂),保留碱金属-瓜环有机框架聚合物的骨架,制得一类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物,因此,本发明一类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物,其特征是以瓜环(Q[n])和碱金属盐经一定条件反应合成的一类碱金属一瓜环多层次网状有机框架聚合物。
本发明一类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物,其特征是以五元瓜环(Q[5])和碘化钾或溴化钾为代表反应合成的碱金属一五元瓜环多层次网状有机框架聚合物,是一种褐色固体粉末,利用1HNMR、重量法、XRD、IR、DSC-TG等分析手段对其进行结构表征测定,其化学组成是{[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2I·nH2O}x或{[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2Br·nH2O}x,2<n<15,X表示多个单体的聚合体,由五元瓜环(Q[5])和钾离子构筑的聚合物保持多层次网状结构;层与层之间的相对位置通过对阴离子碘离子与网状结构聚合物中钾离子的静电作用维系,从而形成碱金属一五元瓜环多层次网状有机框架聚合物。聚合物结构如说明书附图1d。
上述瓜环(Q[n])为五元瓜环时表示(Q[5]),碱金属盐为溴化钾或碘化钾,五元瓜环(Q[5])的化学式为C30H30N20O10,结构式如下:
称取一定量的碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物置于甲醇,乙醇,苯,1,4-二氧六环,氯仿,四氢呋喃等气体或低沸点挥发性物质的气氛中,采用1H NMR和重量法跟踪监测吸附过程。研究表明:碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物对甲醇,乙醇,苯,1,4-二氧六环,氯仿,四氢呋喃或甲醛等气体或低沸点挥发性物质有特殊的吸附性能,其对甲醇的吸附表现出不仅选择性好,而且吸附量大,且可反复使用,寿命长的特点;碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物不溶于各类有机溶剂,但溶于水,溶于水后结构即被破坏。
本发明一类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物的合成方法,按下列步骤合成:(1)第一步,合成瓜环基碱金属-有机框架聚合物:按比例分别称取瓜环,碱金属盐和芳香族诱导剂,分别加水加热溶解完全,趁热将瓜环Q[n]溶液过滤到碱金属盐溶液中,得混合液,搅匀,然后将诱导剂迅速倒入上述混合液中,再次搅匀,静置数天,析出晶体、过滤,滤出的晶体在红外灯下烘干,得干燥的瓜环基碱金属-有机框架聚合物;所指的芳香族诱导剂如对羟基苯甲酸;(2)第二步,清洗出瓜环基碱金属-有机框架聚合物中的芳香族诱导剂获得碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物:将干燥的上述瓜环基碱金属-有机框架聚合物晶体置于索氏提取器中,以无水乙醇为淋洗剂,加热回流,将芳香族诱导剂完全清洗出,收集提取器中的固体,并在真空下干燥数小时,得碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物。
各步骤工艺条件为:第一步,瓜环Q[n]、碱金属盐和芳香族诱导剂的摩尔比为:1∶1~10∶1~10,Q[n]和碱金属盐溶解温度50~70℃,芳香族诱导剂溶解温度70~80℃,当Q[n]为五元瓜环Q[5],碱金属盐为溴化钾或碘化钾,芳香族诱导剂为对羟基苯甲酸时,其瓜环基碱金属-有机框架聚合物其单体化学组成是:
[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2(C6H6CO3)·2I·nH2O,或
[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2(C6H6CO3)·2Br·nH2O,2<n<15;
第二步,将干燥的瓜环基碱金属-有机框架聚合物置于索氏提取器中,以无水乙醇为淋洗剂,加热回流至完全除去芳香族诱导剂对羟基苯甲酸,利用1H NMR手段检测淋洗过程。最后得到包含Q[5]-K的碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物,其单体化学组成是:
[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2I·nH2O,或
[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2Br·nH2O,2<n<15。
其聚合物结构如图1d所示
本发明一类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物的应用,其特征是碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物作为吸附剂,对有机气体或液体包括乙醇、苯、1,4-二氧六环,氯仿或四氢呋喃的液体或气体的吸附。特别是对甲醇的吸附量最大,且可反复使用,寿命长,特别可以作为吸附甲醇的吸附剂。
本发明利用特殊的有机分子作为诱导剂,实现了由一维金属-瓜环聚合物向二维多层次网状结构的金属-瓜环聚合物的转化,这类碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物具有与已报道的金属-瓜环聚合物在结构上有明显不同。当淋洗移走作为诱导剂的有机分子后,多层次网状的金属-瓜环骨架结构仍保持稳定。本发明涉及碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物的合成方法使用了特殊的有机分子作为诱导剂,才能实现由一维金属-瓜环聚合物向二维多层次网状结构的金属-瓜环聚合物的转化,此合成具有方法简单、操作简便、产率高、周期短等特点。本发明的产品作为有机吸附剂,它比无机吸附剂如活性炭,硅胶等,具有更大的吸附空间,因而具有更大的吸附容量和选择性,在对有机物质(气体或液体)的吸附、分离、储能、环保等方面有着广泛的应用前景和使用价值。
附图说明:图1五元瓜环Q[5]与K离子配位形成的碱金属-五元瓜环有机框架聚合物的结构示意图:(a)通过钾离子K1,K2,K3直接与三个Q[5]配位形成构成这类聚合物基本单元结构,(b)通过钾离子K1,K2,K3直接与三个Q[5]配位形成构成这类聚合物基本单元结构构筑的多层次,多孔穴网状结构(俯视图),具有明显的金属-瓜环有机框架聚合物特征。(c)包含瓜环、碱金属离子及芳香族诱导剂的瓜环基碱金属-有机框架聚合物晶体结构堆积图(侧视图),(d)用无水乙醇淋洗后保留的碱金属-五元瓜环多层次网状有机框架聚合物的示意图(侧视图)(注:在除去诱导剂对羟基苯甲酸后,由五元瓜环(Q[5])和钾离子构筑的聚合物仍保持层状网状结构;层与层之间的相对位置通过对阴离子碘离子与网状结构聚合物中钾离子的静电作用维系,从而形成碱金属-五元瓜环多层次网状有机框架聚合物。);
图2淋洗前后的瓜环基碱金属-有机框架聚合物以及碱金属-五元瓜环多层次网状有机框架聚合物实物对比图,(a)包含瓜环、碱金属离子及芳香族诱导剂的瓜环基碱金属-有机框架聚合物,(b)淋洗后的碱金属-五元瓜环多层次网状有机框架聚合物;
图31H NMR图谱,(a)Q[5]-KI-对羟基苯甲酸瓜环基碱金属-有机框架聚合物,聚合物中Q[5]的1H NMR图谱(化学位移在4.21和5.55处的两组二重峰,以及5.39处单峰)以及对羟基苯甲酸的1H NMR图谱(化学位移在6.78和7.78处的两组二重峰)。(b)经乙醇回流淋洗后,去除芳香族诱导剂后得到的Q[5]-KI碱金属-五元瓜环多层次网状有机框架聚合物,仅观察到聚合物中Q[5]的1H NMR图谱,表明芳香族诱导剂对羟基苯甲酸完全去除;
图4X-射线粉末衍射谱图,(a)Q[5]、(b)Q[5]-KI-对羟基苯甲酸瓜环基碱金属-有机框架聚合物和(c)去除芳香族诱导剂后Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物-的XRD图谱。对比Q[5]、Q[5]-KI-对羟基苯甲酸瓜环基碱金属-有机框架聚合物与Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物的XRD图谱发现,去除芳香族诱导剂后的聚合物XRD特征峰较之Q[5]有明显的变化,去除芳香族诱导剂后,Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物XRD特征峰峰型较好,聚合物晶型较好,结晶度较高;
图5(a)Q[5]、(b)Q[5]-KI-对羟基苯甲酸瓜环基碱金属-有机框架聚合物和(c)去除芳香族诱导剂后得到的Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物-的IR图谱,对比IR发现,除去诱导剂后前,Q[5]端口羰基氧的伸缩振动峰C=O从1736cm-1向1748cm-1移动了大约12个波数;
图6差热(左)-热重(右)图谱,(a)Q[5]、(b)Q[5]-KI-对羟基苯甲酸瓜环基碱金属-有机框架聚合物和(c)去除芳香族诱导剂后的Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物。去除芳香族诱导剂后的Q[5]-KI碱金属-瓜环有机框架聚合物的框架分解温度较之Q[5]略有下降;
图7去除芳香族诱导剂后得到的Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物对苯,1,4-二氧六环,甲醇,丙酮,乙醇等气体吸附的1H NMR图谱。结果表明,Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物对有机气体均有一定吸附,但对甲醇气体吸附量最大;
图8去除芳香族诱导剂后的Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物吸附甲醇的1H NMR跟踪图谱和重量法曲线,1H NMR图谱结果表明,随着时间的变化,聚合物吸附甲醇的量增加,一定时间后,吸附甲醇的量几乎不变。两种方法相互佐证;
图9展示了Q[5]-KI碱金属-瓜环多层次网状有机框架聚合物在常温常压与常温减压下脱附甲醇的失重曲线,结果表明,随着时间的变化,聚合物吸附甲醇的量减少,一定时间后,甲醇完全被脱附,但减压效果比常压效果好。
具体实施方法:实施例1:分别称取Q[5]4.87g(4.82mmol),碘化钾8.69g(52.3mmol),对羟基苯甲酸4.3g(31.2mmol)。Q[5]用500mL二次水溶解加热60℃,震荡数分钟,使溶液澄清。再加热在60℃左右。KI用100mL二次水溶解加热60℃,震荡。对羟基苯甲酸用400mL水溶解,加热到80℃,使之充分溶解均匀。趁热把Q[5]溶液过滤到KI溶液中。摇匀,然后把对羟基苯甲酸溶液迅速倒入之前的混合溶液中,再次摇匀。静止数天,出现黄色晶体,产率在70~80%。利用1HNMR、重量法、XRD、IR、DSC-TG分析手段测定,其单体结构是为[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2(C6H6CO3)·2I·nH2O,2<n<15。
实施例2:分别称取Q[5]0.013g(0.013mmol),溴化钾0.024g(0.202mmol),对羟基苯甲酸0.020g(0.145mmol)。Q[5]用2.5mL二次水溶解加热60℃,震荡数分钟,使溶液澄清。再加热在60℃左右。KBr用1mL二次水溶解加热60℃,震荡。对羟基苯甲酸用3mL水溶解,加热到80℃,使之充分溶解均匀。趁热把Q[5]溶液过滤到KBr溶液中。摇匀,然后把对羟基苯甲酸溶液迅速倒入之前的混合溶液中,再次摇匀。静止数天,出现黄色晶体,产率在30~40%。利用1HNMR、重量法、XRD、IR、DSC-TG分析手段测定,其单体结构是为[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2(C6H6CO3)·2Br·nH2O,2<n<15。
实施例3:把合成的[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2(C6H6CO3)·2I·nH2O或[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2(C6H6CO3)·2Br·nH2O,将10g干燥的瓜环基金属-有机框架聚合物置于索氏提取器中,以无水乙醇为淋洗剂,在500mL平底烧瓶中加入200mL的无水乙醇,加热回流至完全除去芳香族诱导剂对羟基苯甲酸,利用1H NMR手段检测淋洗过程。除去对羟基苯甲酸的样品在真空下干燥数小时备用。利用1H NMR重量法、XRD、IR、DSC-TG分析手段测定,其单体结构为:[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2I·nH2O或[K2(H2O)3(C30H30N20O10)]·2Br·nH2O,2<n<15。
实施例4:取一定量的褐色固体置于干净的试管中,试管放在密闭的有挥发性的甲醇,乙醇,苯,1,4-二氧六环,氯仿,四氢呋喃等气体或低沸点挥发性物质气氛中,用1H NMR和重量法跟踪吸附过程,直至达到饱和吸附。