图1 配体H2HIPA、3,5-DIP、1,1'-MPBI的结构
纸质出版日期:2022-11-25,
网络出版日期:2022-05-17,
收稿日期:2022-01-11,
录用日期:2022-03-28
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5-羟甲基间苯二甲酸 (H2HIPA,5-(hydroxymethyl) isophthalic acid)和Co(Ⅱ)离子在水热条件下分别与3,5-二(1H-咪唑-1-基)吡啶(3,5-DIP)和1,1′-(5-甲基-1,3-亚苯基)双(1H-咪唑)(1,1′-MPBI)反应构建出2个配位聚合物[Co(HIPA)(3,5-DIP)]n (1)和 [Co(HIPA)(1,1′-MPBI)]n (2)。单晶衍射揭示配合物1属于三斜晶系P-1空间群,配合物2属于单斜晶系P21/c空间群。由于采用了相同的金属离子,配合物1和2的Co(Ⅱ)离子中心均呈相似的四面体配位构型。H2HIPA配体与3,5-DIP或1,1′-MPBI作为有机连接体,分别构建出2个四连接具有sql网络的二维层状结构,且均继续通过π-π堆叠形成两重穿插三维超分子化合物。固体紫外及Mott-Schottky测试发现配合物1和2属于半导体材料,对紫外-可见光有很强的吸收作用,能够加快酸性黄的降解速度。
Under hydrothermal conditions, 5-(hydroxymethyl)isophthalic acid (H2HIPA) and Co(Ⅱ) ions were reacted with 3,5-di(1H-imidazol-1-yl)pyridine (3,5-DIP) and 1,1′-(5-methyl-1,3-phenylene)bis(1H-imidazole) (1,1′-MPBI) to synthesize two new coordination polymers [Co(HIPA)(3,5DIP)]n(1) and [Co(HIPA)(1,1′-MPBI)]n(2). Single-crystal X-ray diffraction reveals that complex 1 belongs to the P-1 space group of the triclinic crystal system, and complex 2 belongs to the monoclinic crystal system P21/c space group. Due to the use of the same metal ions, the Co(II) ion centers of complexes 1 and 2 exhibit similar tetrahedral coordination configurations, while the H2HIPA ligands could interact with 3,5-DIP or 1,1′-MPBI as organic connectors, constructing two two-dimensional layered structures respectively. They have three-dimensional supramolecular compounds with sql network and double interspersed framework through π-π stacking. In addition, through solid UV-Vis and Mott-Schottky tests, it was found that complexes 1 and 2 belong to semi-conductive materials, which have a strong absorption effect on ultraviolet-visible light and can accelerate the degradation rate of acid yellow dyes.
配位聚合物(CPs,coordination polymers)是一类由有机桥联分子与金属离子/金属簇组成的晶态固体材料[
在多种羧酸配体中,芳香羧酸类化合物因具有以下结构优势而被广泛应用:第一,含多个羧基的芳香化合物具有较好的共轭体系,能够利用π-π堆积作用增加CPs结构的稳定性;第二,羧酸基团去质子化与金属离子连接时配位模式灵活多样,利于形成不同结构类型的CPs;第三,去质子化的羧酸基团带负电荷能和金属阳离子减弱抗衡离子效应,同时也是较好的氢键的给体或受体,利于形成稳定的电中性CPs晶体。5-羟甲基间苯二甲酸(H2HIPA,5-(hydroxymethyl)isophthalic acid)作为一种代表性的芳香羧酸配体已经被应用在构筑CPs上,并且取得了一些成果。如,Xu等[
虽然H2HIPA配体已经有部分研究成果,但是目前它所合成出的配位聚合物仍较为有限。因此我们尝试用H2HIPA继续构建CPs,并在此过程中引入咪唑衍生物类配体3,5-二(1H-咪唑-1-基)吡啶(3,5-DIP)和1,1′-(5-甲基-1,3-亚苯基)双(1H-咪唑)(1,1′-MPBI)作为辅助配体(
图1 配体H2HIPA、3,5-DIP、1,1'-MPBI的结构
Fig.1 Structures of ligands H2HIPA, 3,5-DIP and 1,1'-MPBI
实验中所用的H2HIPA参照文献合成[
将H2HIPA(19.6 mg,0.1 mmol),3,5-DIP (21.0 mg,0.1 mmol),Na2CO3(12.7 mg,0.12 mmol)和Co(NO3)2(0.15 mL,1.0 mol/L )溶于6 mL蒸馏水中,将所得的混合液在室温下搅拌20 min,然后转移到反应釜中加热,在140 ℃条件下反应48 h,冷却至室温,过滤后用乙醇洗涤,获得紫红色块状晶体(产率56.6%,基于配体H2HIPA)。元素分析(w/%, C20H15O5N5Co)的理论计算值为: C, 51.74; H, 3.26; N, 15.08; 实验值为: C, 50.60; H, 3.52; N, 14.67。FTIR主要数据(KBr压片,cm-1) v: 3 430(m), 3 103(w), 1 619(s), 1 261(m), 1 237(s), 1 112(w), 1 028(m)。
合成条件与配合物1相似,只是用1,1′-MPBI代替3,5-DIP,最终得到红色块状晶体(产率53.1%,基于配体H2HIPA)。元素分析(w/%, C22H18N4O5Co)的理论计算值为: C, 55.36; H, 3.80; N, 11.74; 实验值为:C, 54.21; H, 3.82; N, 11.53。FTIR主要数据(KBr压片,cm-1) v: 3 415(m), 3 114(m) 1 614(s), 1 355(s), 1 265(w), 1 020(w)。
配合物1和2的单晶结构数据型X-射线单晶衍射仪上以Mo-Kα射线(T=295.2 K, λ=0.071 073 nm)为辐射源,ω变换扫描方式获得。晶体数据吸收校正后,用Olex2-1.2软件中的SHELXT-2014、SHELXL-2017程序和全矩阵最小二乘法对晶体结构进行解析及数据精修[
指标 | 配合物1 | 配合物2 |
---|---|---|
分子式 | C20H15O5N5Co | C22H18N4O5Co |
相对分子质量 | 464.30 | 477.33 |
衍射实验温度/K | 295.2 | 295.2 |
晶系 | triclinic | monoclinic |
空间群 | P-1 | P21/c |
a/nm | 0.922 61 (3) | 0.924 30 (5) |
b/nm | 1.013 05 (3) | 2.236 12 (11) |
c/nm | 1.182 82 (3) | 1.018 69 (7) |
α/(°) | 105.425 (2) | 90 |
β/(°) | 101.073 (2) | 100.246 (6) |
γ/(°) | 101.708 (2) | 90 |
体积V/nm3 | 1.007 46 (5) | 2.071 9 (2) |
晶胞包含的分子数Z | 2 | 4 |
衍射实验中收集的总衍射点数 | 17 452 | 21 167 |
独立衍射点数 | 5 320 [Rint = 0.030 0] | 5 587 [Rint = 0.029 7] |
基于F2的全矩阵最小二乘法S值 | 1.052 | 1.038 |
衍射点R值[I > 2σ(I)] | R1 = 0.028 3, wR2 =0.072 3 | R1 = 0.030 3, wR2 =0.074 1 |
全部衍射点的R值 | R1 = 0.031 7, wR2 = 0.073 8 | R1 = 0.037 3, wR2 = 0.076 6 |
配合物 | 化学键 | 键长/ nm | 化学键 | 键角/(°) | |
---|---|---|---|---|---|
配合物1 | Co(1)—O(4)#1 | 0.200 72 (10) | O(4)#1—Co(1)—N(5)#2 | 106.20 (5) | |
Co(1)—O(1) | 0.198 64 (10) | O(4)#1—Co(1)—N(1) | 114.20 (5) | ||
Co(1)—N(5)#2 | 0.203 69 (11) | O(1)—Co(1)—O4(1) | 96.71 (4) | ||
配合物2 | Co(1)—O(1) | 0.198 67 (10) | O(1)—Co(1)—O(4)#1 | 98.28 (4) | |
Co(1)—O(4)#1 | 0.199 49 (11) | O(1)—Co(1)—N(1) | 107.92 (5) | ||
Co(1)—N(1) | 0.202 49 (12) | N(1)—Co(1)—N(4)#2 | 112.66 (5) |
1) 配合物1的对称操作: #1= +x, -1+y, +z; #2= +x, +y, -1+z; 配合物2的对称操作: #1=+x, +y, -1+z; #2= -x, -1/2+y, 1/2-z。
X-射线单晶结构表明配合物1是三斜晶系,P-1空间群,不对称单元中包含一个Co2+离子,一个去质子化的HIPA2-和一个3,5-DIP辅助配体。Co(Ⅱ)中心通过四配位的模式与2个3,5-DIP配体上的N原子N1、N5b和2个HIPA2-配体上的羧基O原子O1、O4c配位,形成一个四面体几何构型(
图2 配合物1的结构示意图
Fig.2 Schematic diagram of the structure of complex 1
配合物2的晶体则是单斜晶系,P21/c空间群。其不对称单元包含了一个Co(Ⅱ)中心、一个去质子的HIPA2-和一个1,1′-MPBI辅助配体。Co2+以四配位的方式与2个1,1′-MPBI配体上的N原子N1和N4c,以及2个HIPA2-配体上的羧基O原子O1、O4b配位,形成一个与配合物1类似的四面体几何构型(
图3 配合物2的结构示意图
Fig.3 Schematic diagram of the structure of complex 2
在上述结构描述中可以看出,配合物1和配合物2中Co(Ⅱ)离子都是以四配位的模式连接有机配体形成sql网络,这可能是由金属离子和有机配体的特征所决定的[
配合物1和2的X-射线粉末衍射谱图(PXRD)显示,它们的粉末模拟数据和所测出来的粉末数据的衍射峰位置没有差别,说明合成的配合物均为纯相,可用于性质测试。此外,为测试配合物的水稳定性和光稳定性,还将该两个配合物放在有紫外光(UV)照射的水中浸泡2 d后过滤,再次测试其PXRD,结果显示配合物的粉末衍射峰没有太大变化,说明配合物在水中没有受到影响,稳定性极好(
图4 配合物的PXRD和TGA图
Fig.4 PXRD and TGA patterns of the complexes
为进一步了解配合物的热稳定性,在25~800 ℃的范围内,在N2环境下测试该两个配合物的热重分析曲线(TGA),结果如
固态紫外-可见光吸收谱显示,配合物1和2均在可见光波长400~650 nm 处和紫外光波长200-400 nm处出现较强的吸收峰,如
图5 配合物1和2的紫外-可见吸收谱及能带图
Fig.5 UV-Vis absorption spectra and energy band diagrams of complexes 1 and 2
图6 配合物的阻抗图以及Mott-Schottky图
Fig.6 Impedance diagram and Mott-Schottky diagram of the complexes
鉴于配合物1和2对紫外-可见光有着很强的吸收能力,并且在水中较为稳定,我们尝试用它们作为催化剂来测试其对酸性黄染料的光降解能力。在光催化实验中,取30 mg的配合物1和2分别加入到10 mL的酸性黄(10 mg/L)溶液中,在磁力搅拌器上避光搅拌,达到吸附-脱附的平衡状态,然后放在紫外灯(300 W)照射下反应,每隔5 min取1次样进行紫外光谱测试,结果见
图7 配合物1和2存在和没有配合物时酸性黄光降解反应结果
Fig.7 Absorption results of acid yellow photodegradation reaction in the presence and absence of complexes 1 and 2
综上,用羧酸配体H2HIPA与咪唑衍生物在水热条件下合成出2个半导体型配合物[Co(HIPA)(3,5-DIP)]n (1)和[Co(HIPA)(1,1′-MPBI)]n (2)。在合成过程中,金属离子、合成条件相同、咪唑衍生物结构相似,合成得到的配合物结构相似,但空间群不同。结构分析表明配合物1属于三斜晶系P-1空间群,配合物2属于单斜晶系P21/c 空间群,两者都是四连接具有sql网络的二维层状结构,且均通过堆叠形成具有两重穿插框架的三维超分子化合物。此外,配合物1和2对紫外-可见光有着很强的吸收能力,在水中有较强的稳定性,能够作为光催化剂对酸性黄有较好的降解效果。上述研究证明了配合物1和2是一种非常有潜力的环境修复候选者,未来有望运用于水环境中酸性黄染料污染的治理。
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