CN110776649B - 含蒽基的镉-有机超分子聚合物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含蒽基的镉‑有机超分子聚合物,其化学通式为[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n,属于三斜晶系,空间群为P‑1,晶胞参数 其中,Hbtot2‑是半刚性的三元有机羧酸H3btot脱去2个质子所得,所述H3btot结构如式Ⅰ所示;配体pyan的结构如式Ⅱ,Hbtot2‑、pyan和Cd2+构筑二维金属‑混配体配位聚合层;配位聚合层之间进一步通过π···π相互作用堆叠形成三维的金属‑有机超分子聚合物。采用本发明提供的方法制备的绿色荧光含蒽基的镉‑有机超分子聚合物产率约达75%,该超分子聚合物可作为环境、化工等领域水溶液中CO3 2‑/EDTA2‑/Pb2+/Cr3+的荧光探针,在生物标记、光学器件制备、颜色调配等方面也有应用前景。
Description
技术领域
本发明属于先进发光材料和重金属领域,具体涉及一种含蒽基的镉-有机超分子聚合物及其制备方法与应用。
背景技术
无机材料制备的发光器件(如ZnS:Mn器件)存在稳定性较差、发光效率等缺点;有机小分子材料(如TBSA芴类蓝光小分子)制备的器件发光过程中易结晶,导致器件的稳定性也较差;而聚合物发光材料(如2001年报道的聚苯乙烯喹啉)制备的器件就克服了这一缺点,使其具有很好的商业应用前景。
1987年金属-有机配合物8-羟基喹啉铝(AlQ)用作发光器件原料以来,配位键等非共价键驱动构筑的光敏性金属-有机超分子聚合物(metal-oganic supramolecularpolymers,MOSPs),其拓扑结构赋予其具有比无机或有机组分更多的新功能(如分子马达型、“呼吸”型等聚合物),得到了快速发展。迄今为止,超分子聚合物的化学反应过程受溶剂、物料、温度等诸多复杂因素的制约,其拓扑结构、性能以及构效关系还难以预测,因此获得结构新颖、有一定应用前景的超分子聚合物是极含挑战性的课题。
具有大共轭体系的蒽基是典型的发色基团,蒽基修饰的功能有机分子备受发光材料领域关注。化工新材料领域,9,10-二(4-吡啶基)蒽(简写为pyan)是比较典型的富电子N-配体,pyan、多元羧酸和过渡金属离子构筑的光敏性MOSPs还鲜有报道。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足,本发明的目的在于提供一种含蒽基的镉-有机超分子聚合物,其化学通式为[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n,该新物质可作为阴阳离子的荧光检测探针。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种含蒽基的镉-有机超分子聚合物,其化学通式为[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n,属于三斜晶系,空间群为P-1,晶胞参数所述镉-有机超分子聚合物化学通式中,Hbtot2-是半刚性的三元有机羧酸H3btot脱去2个质子所得,H3btot的结构如式Ⅰ所示;所述化学通式中,配体pyan的结构式如式II所示:
进一步,所述含蒽基的镉-有机超分子聚合物在晶体学独立的不对称单元中,包含1个Hbtot2-、1个Cd2+和1.5个pyan,因此其周期性化学通式表达为[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n;在所述晶体学独立的不对称单元中,Hbtot2-配位模式如式III所示;配体pyan包含两种配位方式,所述两种配位方式为桥联模式pyan-A如式IV所示,以及单齿模式pyan-B如式V所示;所述含蒽基的镉-有机超分子聚合物空间结构中,羧酸根、吡啶N原子和Cd2+形成一个组成为[Cd2N4(CO2)4]的双核簇,如式VI所示,其中,O1···Cd1之间距离表明其间存在较弱的相互作用;所述双核簇简化为次级结构单元SBU,其中虚线示意pyan-B,如式VII所示;所述Hbtot2-、pyan和SBU构筑二维金属-混配体配位聚合层,如式VIII所示;上述二维金属-混配体配位聚合层中存在被Hbtot2-和pyan配体环绕的隧道,配位聚合层之间进一步通过π···π相互作用堆叠形成三维的金属-有机超分子聚合物:
上述含蒽基的镉-有机超分子聚合物采用如下制备方法:以H3btot、pyan、Cd(NO3)2·4H2O和HNO3作为原料,以乙腈和水的混合溶液作为溶剂,采用溶剂热合成法制备,具体包括如下步骤:
(1)将原料H3btot、pyan、Cd(NO3)2·4H2O和HNO3以及溶剂乙腈和水混合形成反应体系,置于密闭容器中;所述H3btot、pyan、Cd(NO3)2·4H2O和HNO3的物质的量比为1:1:1.5~2.5:3.5~8.8,所述溶剂乙腈和水的体积比1:9;
(2)将反应体系置于室温下搅拌10-30min,然后将反应温度升温至140~160℃,反应3-5d,之后自然冷却、过滤、干燥,得到块状晶体。
进一步,步骤(1)中所述H3btot:pyan:Cd(NO3)2·4H2O:HNO3的物质的量比为1:1:2.5:5.25。
进一步,反应体系中H3btot的初始物质的量浓度为4mmol/L。
进一步,步骤(2)中反应温度为160℃,所述干燥是指晶体用蒸馏水洗涤后,室温下在空气中自然干燥。
采用上述制备方法制得的含蒽基的镉-有机超分子聚合物在阴阳离子检测中的应用。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明制备的[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n,pyan通过配体到金属离子的电子传递赋予聚合物发光性能,同时由于pyan物质的量是金属离子Cd的1.5倍,也降低了聚合物中重金属Cd的相对含量,使得[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n溶液在用于水溶液中有毒重金属离子铅(Pb2+)和铬(Cr3+)荧光检测时,对环境更友好。
(2)本发明所得含蒽基的镉-有机超分子聚合物在水、乙腈等溶剂中稳定存在,在370℃左右骨架开始分解,具有较高的热稳定性;室温下,该晶体材料在波长415nm光线激发下,在发射绿色荧光;该新晶体材料可应用于溶水溶液中阴阳离子CO3 2-/EDTA2-/Pb2+/Cr3+的检测,以及生物标记、光学器件制备、颜色调配等方面。
(3)采用本发明的制备方法,绿色荧光含蒽基的镉-有机超分子聚合物的产率约为75%。本发明提供的含蒽基的镉-有机超分子聚合物,对于环境资源开发、新材料制备与应用等方面都具有积极的意义和价值。
附图说明
图1为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物的晶体结构图,(a)有机配体和金属离子的配位模式,(b)组成为[Cd2N4(CO2)4]的双核簇,为更清晰,省略了pyan-B后简化为6-连接次级结构单元(6-c SBU);
图2为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物的空间结构图,(a)Hbtot2-、pyan-A和Cd2+构筑的配位聚合层及其6-连接层状简化结构,(b)Hbtot2-、pyan-A、pyan-B和Cd2+构筑[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n聚合层堆积图,(c)配位聚合层通过π-π相互作用堆叠成三维金属-有机超分子聚合网络;
图3为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物的X-射线粉末衍射花样图;
图4为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物的热重曲线图;
图5为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物的红外光谱图;
图6为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物常温下固态荧光光谱图;
图7为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物水溶液检测阴离子的荧光光谱图;
图8为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物水溶液检测阳离子的荧光光谱图;
具体实施方式
下面结合具体实施例,对本发明方法进行详细说明。本发明提供的含蒽基的镉-有机超分子聚合物可以简写为CdOSP,本发明中对最终产物进行X-射线单晶衍射测试,解析得其精确的电子结构;并对最终产物进行一系列表征,如红外、荧光、X-射线粉末衍射、热重等,确定其化学组成通式为[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n,其中pyan物质的量是Cd的1.5倍。以N-配体pyan用量为依据计算产率,即根据产物组成中pyan的物质的量占比,算出理论上应得超分子聚合物的质量,实际得到的产品质量占前者的比值即为产率。本发明中pyan的中文名称为9,10-二(4-吡啶基)蒽。
一、本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物的制备
实施例1
按下列具体质量或体积取物料:H3btot(19.4mg,0.04mmol),pyan(13.3mg,0.04mmol),Cd(NO3)2·4H2O(30.8mg,0.1mmol),CH3CN(1mL),H2O(9mL),HNO3(30uL,7mol/L,0.21mmol)。将上述物料置于25mL反应釜中,搅拌约10min,升温至160℃,反应3天后,自然冷却至室温,得块状晶体样品,将其从母液中过滤,蒸馏水洗涤,在室温下空气中自然干燥。
对制备好的含蒽基的镉-有机超分子聚合物的晶体样品,采用岛津XRD-6100型X-射线衍射仪进行粉末衍射测试(见图3,横坐标—角度;纵坐标—衍射强度),测试图谱的峰与晶体结构拟合图谱的峰能很好的匹配(软件Mercury),说明所得结晶样品结构与单晶数据所得结构相同,样品纯度高。
在晶体样品中,挑选取合适的单晶,对其进行X-射线单晶衍射分析,解析得其晶体结构(见图1和图2)。其中,图1(a)为有机配体和金属离子的配位模式,图1(b)组成为[Cd2N4(CO2)4]的双核簇,O1···Cd1之间距离表明其间存在较弱的相互作用;为更清晰,省略了pyan-B后简化为6-连接次级结构单元(6-c SBU)。图2(a)为Hbtot2-、pyan-A和Cd2 +构筑的配位聚合层及其6-连接层状简化结构,图2(b)为Hbtot2-、pyan-A、pyan-B和Cd2+构筑[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n聚合层堆积图,在[Cd(Hbtot)(pyan)1.5]n聚合层堆积图,二维金属-混配体配位聚合层中存在被Hbtot2-和pyan配体环绕的隧道,该隧道的直径约(柱状示意),图2(c)为配位聚合层通过π-π相互作用堆叠成三维金属-有机超分子聚合网络。
单晶结构的测定:挑选取合适的单晶,在SMARTAPEXII CCD单晶衍射仪上(Mo-Ka,石墨单色器),室温下收集得到X-射线衍射数据并经Lp因子的校正。晶体结构由直接法解出,结构的解析和精修均由SHELXTL-97程序包完成,然后用全矩阵最小二乘法F2对所有非氢原子进行各向异性精修。有机配体的氢原子坐标由理论加氢得到。主要晶体学数据见表1;配位键长见表2。
表1主要晶体学数据
*R1=Σ||Fo|-|Fc||/Σ|Fo|,wR2=[Σw(Fo 2-Fc 2)2/Σw(Fo 2)2]1/2
对称转换:#1-x+1,-y,-z+1;#2x,y,z+1
所得结晶样品的热重数据分析显示(见图4,空气氛,横坐标—温度;纵坐标—残留),在370℃之后骨架开始分解。热重数据表明此该含蒽基的镉-有机超分子具有比较高的热稳定性。
该含蒽基的镉-有机超分子聚合物的化学式为C63H40N3O9Cd,化学式量为1095.39,其中C、H、N元素分析,计算值(%):C 69.08,H 3.68,N 3.84;实际测得(%):C 69.06,H3.64,N 3.88。图5为本发明含蒽基的镉-有机超分子聚合物红外光谱图(横坐标—波数;纵坐标—透光率)FT-IR(KBr,cm-1):3068(w),1713(m),1601(vs),1545(s),1395(vs),1217(vs),1157(s),1000(s),784(m),641(w)。说明:红外光谱由Nicolet Impact 410FTIR光谱仪以KBr为底在400-4000cm-1范围内测得。
晶体样品在室温下测试晶体产品的固态荧光光谱(见图6,横坐标—波长;纵坐标—荧光强度),数据表明在波长415nm光线激发下,晶体在530nm处出现明显的荧光发射峰,同时在490nm处有稍弱的肩峰,整体发射绿色荧光。对比发色原料pyan的荧光发射谱(439nm),CdOSP发光机理可能是由于配体到金属离子中心的电荷传递。
本实施例重复多次,实际得到该超分子聚合物的质量保持在18.5~22.0mg,基于pyan用量产率为63.3%~75.3%。
实施例2
按下列具体质量或体积取物料:H3btot(19.4mg,0.04mmol),pyan(13.3mg,0.04mmol),Cd(NO3)2·4H2O(18.6mg,0.06mmol),CH3CN(1mL),H2O(9mL),HNO3(20uL,7mol/L,0.14mmol)。将上述物料置于25mL反应釜中,搅拌30min,升温至140℃,反应4天后,自然冷却至室温,得块状晶体,将其从母液中过滤出来,蒸馏水洗涤,室温下空气中自然干燥。
产物粉末X-射线衍射表征(见图2),得到数据与实施例1相似。说明用实施例2制得的晶体结构未发生变化,产品纯度高。
将本实施例重复多次,实际得到该超分子聚合物的质量保持在15.1~18.2mg,基于pyan用量计算得产率为51.7%~62.3%。
实施例3
按下列具体质量或体积取物料:H3btot(19.5mg,0.04mmol),pyan(13.3mg,0.04mmol),Cd(NO3)2·4H2O(30.8mg,0.1mmol),CH3CN(1mL),H2O(9mL),HNO3(50uL,7mol/L,0.35mmol)。将上述物料置于25mL反应釜中,搅拌约20min,升温至150℃,反应5天后,自然冷却至室温,得块状晶体,将其从母液中过滤出来,蒸馏水洗涤,室温下空气中自然干燥。
产物粉末X-射线衍射表征(见图2),得到数据与实施例1相似。说明用
实施例3制得的晶体结构未发生变化且产品较纯。
将本实施例重复多次,实际得到该超分子聚合物的质量保持在17.6~19.4mg,基于pyan用量计算得产率为60.2%~66.4%。
实施例4含蒽基的镉-有机超分子聚合物溶液对阴阳离子的荧光检测
在250mL锥形瓶中,配制含蒽基的镉-有机超分子聚合物(CdOSP)的检测溶液,研细的晶体粉末0.0586g溶于200mL水中,振荡、摇匀,超声分散30min得到悬浮液,悬浮液陈化3天,待溶液稳定,取上层澄清溶液备用。
用移液管分别量取4.5mL阴离子Cl-、Br-、I-、NO2 -、CH3CO2 -、C10H14N2O8 2-(EDTA2-,负二价的乙二胺四乙酸根)、WO4 2-和CO3 2-的钠盐水溶液(浓度为0.01mol/L)于洁净的带有编号的玻璃瓶中,用移液管移取配制好的CdOSP上层澄清液0.5mL于上述带有编号玻璃瓶中,振摇,超声30min混合均匀得到待检测溶液备用。
同样的,用移液管量取4.5mL阳离子Ag+、Cr3+、Cu2+、Cd2+、Co2+、Mg2+、Ni2+、Pb2+和Zn2+的硝酸盐水溶液(浓度为0.01mol·L-1)于洁净的带有编号的玻璃瓶中,用移液管移取配制好的CdOSP上层澄清液0.5mL于上述带有编号玻璃瓶中,超声30min混合均匀得到待检测溶液备用。
荧光分析通过Perkin-Elmer LS55型荧光光谱仪测定,在波长374nm紫外光激发下,分别测试上述含阴或阳离子的CdOSP溶液的荧光光谱。
从荧光光谱图7(横坐标—波长;纵坐标—荧光强度)中可知,CdOSP水溶液的荧光发射在433nm处有峰。添加的阴离子钠盐溶液,除了Cl-的钠盐外,其余钠盐均使原CdOSP溶液的荧光强度增强,而CO3 2-的钠盐使CdOSP溶液的荧光增强最明显,而EDTA2-钠盐使CdOSP溶液在485nm和514nm处出现了荧光峰。可见,在高分辨荧光检测***中,该CdOSP水溶液可以用于阴离子CO3 2-和EDTA2-钠盐的鉴别。
从荧光光谱图8(横坐标—波长;纵坐标—荧光强度)中可知,添加Pb2+硝酸盐使CdOSP溶液荧光强度稍增强;添加其余金属硝酸盐使CdOSP溶液荧光强度减弱,其中Cr3+硝酸盐使CdOSP溶液荧光强度减弱最明显,并且主峰的位置红移到了464nm处。这说明该CdOSP溶液可以用于环境、化工等领域水溶液中有毒重金属离子铅(Pb2+)和铬(Cr3+)荧光检测。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
所述镉-有机超分子聚合物化学通式中,Hbtot2-是半刚性的三元有机羧酸H3btot脱去2个质子所得,H3btot的结构如式Ⅰ所示;所述化学通式中,配体pyan的结构式如式II所示:
所述含蒽基的镉-有机超分子聚合物在晶体学独立的不对称单元中,包含1个Hbtot2-、1个Cd2+和1.5个pyan;在所述晶体学独立的不对称单元中,Hbtot2-配位模式如式III所示;配体pyan包括两种配位方式,所述两种配位方式为桥联模式pyan-A如式IV所示,以及单齿模式pyan-B如式V所示;所述含蒽基的镉-有机超分子聚合物空间结构中,羧酸根、吡啶N原子和Cd2+形成一个组成为[Cd2N4(CO2)4]的双核簇,如式VI所示,所述双核簇简化为次级结构单元SBU,其中虚线示意pyan-B,如式VII所示;所述Hbtot2-、pyan和SBU构筑二维金属-混配体配位聚合层,如式VIII所示;配位聚合层之间进一步通过π···π相互作用堆叠形成三维的金属-有机超分子聚合物:
2.一种如权利要求1所述的含蒽基的镉-有机超分子聚合物的制备方法,其特征在于,所述含蒽基的镉-有机超分子聚合物以H3btot、pyan、Cd(NO3)2·4H2O和HNO3作为原料,以乙腈和水的混合溶液作为溶剂,采用溶剂热合成法制备,具体包括如下步骤:
(1)将原料H3btot、pyan、Cd(NO3)2·4H2O和HNO3以及溶剂乙腈和水混合形成反应体系,置于密闭容器中;所述H3btot、pyan、Cd(NO3)2·4H2O和HNO3的物质的量比为1:1:1.5~2.5:3.5~8.8,所述溶剂乙腈和水的体积比1:9;
(2)将反应体系置于室温下搅拌10~30min,然后将反应温度升温至140~160℃,反应3-5d,之后自然冷却、过滤、干燥,得到块状晶体。
3.如权利要求2所述的含蒽基的镉-有机超分子聚合物的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述H3btot:pyan:Cd(NO3)2·4H2O:HNO3的物质的量比为1:1:2.5:5.25。
4.如权利要求2所述的含蒽基的镉-有机超分子聚合物的制备方法,其特征在于,反应体系中H3btot的初始物质的量浓度为4mmol/L。
5.如权利要求2所述的含蒽基的镉-有机超分子聚合物的制备方法,其特征在于,步骤(2)中反应温度为160℃,所述干燥是指晶体用蒸馏水洗涤后,室温下在空气中自然干燥。
6.一种含蒽基的镉-有机超分子聚合物的应用,其特征在于,将采用权利要求2~5任一所述方法制得的含蒽基的镉-有机超分子聚合物在CO3 2-、EDTA2-、Pb2+和Cr3+中的检测以及用于非疾病诊断与治疗的生物标记、光学器件制备、颜色调配中的应用。
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