Citation: TAN Yuhui, GU Zhifeng, LIU Yi, YANG Changshan, WANG Bin, TANG Yunzhi. Synthesis, Structure and Fluorescence Properties of Manganese(Ⅱ) Complex Based on 3-Carboxyl-1,2,4-triazole[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2017, 34(3): 354-360. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2017.03.160210
3-羧基-1,2,4-三氮唑MnⅡ配合物的合成、结构及荧光性质
English
Synthesis, Structure and Fluorescence Properties of Manganese(Ⅱ) Complex Based on 3-Carboxyl-1,2,4-triazole
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Key words:
- hydrothermal method
- / carboxyl-triazole
- / fluorescence properties
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近年来金属-有机功能超分子的研究得到了广泛的研究和应用,由于其具有网状拓扑结构和电、磁、催化、光学等性质[1-4]。 氮杂环羧酸类有机配体构筑功能超分子的研究是基于该类配体有多个配位点、多样的配位模式、几乎与所有的金属离子都有较强的配位能力[5]。 跟其它配体相比,氮杂环羧酸类有机配体还具有:1)在自然界中,该类配体随处可见,如某些激素、核苷酸、色素等,此外,该类配体可人为构筑[6]。 2)含氮唑类的配合物是一类高能化合物,有良好的光电性能[7],同时,羧酸的存在更易出现高维结构和构筑出类分子筛、气体吸附材料[8]。
虽然人们已经报道了多种氮杂环羧酸配位聚合物及其功能,但利用1,2,4-三氮唑-3-羧酸甲酯(MTC)作为配体合成金属-有机配合物的报道还不是很多[9-13]。 本文利用MTC作为有机配体在Mn(Ac)2为无机盐情况下利用水热法进行反应,得到了一个结构新颖的氮杂环类零维有机金属单分子,同时,对其相关性质进行了研究。
1 实验部分
1.1 试剂和仪器
1,2,4-三氮唑-3-羧酸甲酯(MTC)(纯度98%,上海梯希爱化成工业有限公司);四水合乙酸锰(Mn(Ac)2·4H2O)(纯度99%,天津市大茂化学试剂厂);去离子水(自制)。
Vario EL型元素分析仪(德国Elementar公司);STA2500 Regulus型热分析仪(德国耐驰公司):N2气气氛,流速50 cm3/min,升温速率为10 ℃/min;ALPHA型傅里叶红外光谱仪(德国Bruker公司),KBr压片法;F-4600型荧光光谱仪(日本日立公司);D8 QUEST型X射线单晶衍射仪(MoKα,λ=0.071073 nm,德国Bruker公司);D\max-2550型X射线衍射仪(日本理学公司)。
1.2 配合物[Mn(C3H2N3O2)2(H2O)2](1)的合成
称取MTC 0.1 mmol(0.0127 g),Mn(Ac)2·4H2O 0.1 mmol(0.0245 g)加入25 cm长的pyrex玻璃管中,再滴加入3 mL水,最后,将pyrex管用放入液氮迅速冷却,抽真空,密封。 待管子解冻后,移至120 ℃恒温干燥箱中加热反应24 h,反应完成后,直接关掉干燥箱降至室温,得到淡黄色块状晶体,其分子结构简式为[Mn(C3H2N3O2)2(H2O)2],合成路线Scheme 1所示。 产率:31% (以1,2,4-三氮唑-3-羧酸甲酯计算)。元素分析(C6H8MnN6O6)理论值/%:C 22.87,H 2.56,N 26.67;实测值/%:C 22.93,H 2.32,N 26.58。 IR(KBr),σ/cm-1:3306(s),3141(w),3091(m),3034(w),2977(w),2876(m),2778(w),2733(w),1798(w),1621(s),1479(s),1370(s),1303(s),1256(m),980(m),893(m),756(m),641(m)。
1.3 单晶结构的测定
首先,将配合物的单晶置于D8 QUEST(Bruker)X射线单晶衍射仪上,用石墨单色器单色化的MoKα射线(波长λ=0.071073 nm),以θ~2θ的方式扫描收集衍射点。 全部强度数据经Lp因子校正和经验吸收校正,晶体结构由直接法和Fourier合成法解析,非氢原子坐标和各向异性温度因子经全矩阵最小二乘法修正[14],氢键表由命令产生,cif文件用Check Cif检测产生,所有计算由SHELXL-97晶体结构分析程序包完成[15]。 表 1为配合物的晶体数据和结构参数,表 2为配合物的键长及键角,表 3为配合物的氢键数据。 CCDC:1473732。
Crystal data Complex Empirical formula C6H8MnN6O6 Crystal system Monoclinic Space group P21/c b/nm 8.7619(3) β/(°) 93.4360(10) Z 2 μ/mm-1 1.222 Crystal size/mm3 0.1×0.08×0.04 Data/restraints/parameters 1102/0/89 R1/wR2[I>2σ(I)] R1=0.0269,wR2=0.1091 Δρmax/Δρmin/(e·A-3) 0.472/-0.379 Formula mas 315.12 T/K 295(2) a/nm 9.2282(3) c/nm 6.9094(2) V/nm3 557.67(3) Dcalcu/(g·cm3) 1.877 F(000) 318 Reflections collected 11332 GOF 1.106 R1/wR2(all data) R1=0.0274,wR2=0.1117
Bond lengths/nm Mn(1)—O(2) 2.1859(9) Mn(1)—O(3W) 2.1895(10) Mn(1)—N(1) 2.2399(13) Mn(1)—O(2)#1 2.1859(9) Mn(1)—O(3W)#1 2.1895(10) Mn(1)—N(1)#1 2.2399(13) Bond angles/(°) O(2)—Mn(1)—O(2)#1 180.0 O(2)#1—Mn(1)—O(3W) 94.27(4) O(2)#1—Mn(1)—O(3W)#1 85.73(4) O(2)—Mn(1)—N(1)#1 104.29(4) O(3W)—Mn(1)—N(1)#1 87.96(5) O(2)—Mn(1)—N(1) 75.71(4) O(3W)—Mn(1)—N(1) 92.04(5) N(1)#1—Mn(1)—N(1) 180.0 O(2)—Mn(1)—O(3W) 85.73(4) O(2)—Mn(1)—O(3W)#1 94.27(4) O(3W)—Mn(1)—O(3W)#1 180.0 O(2)#1—Mn(1)—N(1)#1 75.71(4) O(3W)#1—Mn(1)—N(1)#1 92.04(5) O(2)#1—Mn(1)—N(1) 104.29(4) O(3W)#1—Mn(1)—N(1) 87.96(5) Symmetry codes: #1:-x+2,-y+1,-z+2.
DHA d(D—H) d(HA) d(DA) ∠DHA N(2)H(2)O(1)#2 0.86 1.91 2.7429(15) 163.2 O(3W)H(3WA)O(2)#3 0.82 1.94 2.7434(13) 165.8 O(3W)H(3WB)O(1)#4 0.95 1.88 2.7249(14) 147.0 Symmetry codes:#2 -x+1,y-1/2,-z+3/2; #3 x,-y+3/2,z-1/2; #4 -x+2,y-1/2,-z+3/2.
2 结果与讨论
2.1 配合物的红外谱图分析
配合物及配体MTC的红外光谱测量范围为400~4000 cm-1。 由图 1可知,3306 cm-1左右的强峰为结合水伸缩振动峰,1621 cm-1附近的强峰为结合水弯曲振动峰;3141 cm-1左右的吸收峰为NH伸缩振动峰;3091 cm-1附近的吸收峰为=C—H伸缩振动峰;2876 cm-1左右的吸收峰为羧基C—O的吸收峰,1798 cm-1左右的吸收峰为C=O吸收峰,1256 cm-1附近的吸收峰为C—C(=O)—O吸收峰;1370~1256 cm-1区间内的3个吸收峰为C—N、C=N伸缩振动峰。 与配体MTC红外谱图对比,配合物1新增的原子振动吸收峰表明配合物1中含有水分子及配体MTC的水解产物。
2.2 配合物的结构分析
X单晶衍射表明,配合物属单斜晶系,P21/c空间群。 如图 2所示,在配合物中,中心金属离子MnⅡ是六配位且位于反演中心,每个MnⅡ离子与来自两个不同的MTC配体上1个N原子、1个O原子配位,同时,还和2个水分子的O原子进行配位。 在配合物中,Mn1—N1的距离2.2399(13) nm明显大于Mn1—O2和Mn1—O3W(2.1859(9)和2.1895(10) nm),键角O2—Mn1—O2A、O3W—Mn1—O3WA和N1A—Mn1—N1均为180.0°,可以看出O3W、Mn1和O3WA共直线,O2、O2A、N1A、N1和Mn1共平面,从键角O(2)—Mn(1)—O3W和O3W—Mn1—N1(85.73(4)°和92.04(5)°)接近90°可知,配合物中MnⅡ离子是微形变八面体构型。
如图 3A所示,来自水的O3W和配体的O1、O2形成了分子间的氢键(O3WH3WAO2,2.7434(13) nm、O3WH3WBO1,2.7249(14) nm,详细数据见表 3),从而组装了配合物的2D网络结构。 水分子提供氢和配体的氧原子形成氢键,通过氢键的作用在分子中形成了一个12元环,使得化合物具有较稳定的中心对称结构(如图 3B)。 此外,两个相邻原子层的三唑氮原子N3和羧基O1也有氢 键作用(N2—H2…O1,2.7429(15) nm,详细数据见表 3)和极弱的π-π空间叠加效应(如图 4),使2D网络结构组装成为3D网络结构。
2.3 配合物的固体荧光分析
室温23 ℃下,对配体MTC及配合物的固态荧光性质进行了测试分析,如图 5所示。 由图 5可知,配体MTC和配合物均具有荧光性质。 配体MTC在524 nm处有1个荧光发射峰,可归于配体MTC分子π*-π电子跃迁,而化合物荧光发射峰在517 nm处,是绿光。 根据配合物的拟合曲线可知,其荧光寿命为0.138 ms(如图 6)。 由配体MTC的荧光发射峰位置可知,化合物1荧光发射峰应该也是来自于配体MTC分子π*-π电荷转移。 相比配体MTC的荧光发射峰,配合物1的荧光发射峰蓝移了,原因可能是:首先,配合物的结构中具有较大程度的共轭。 当锰离子与配体MTC配位后,由于氮、氧原子的鳌合作用影响了三氮唑上氮原子与羧酸氧原子的共用孤电子对。所以配位效应使得氮、氧原子处于同一平面上,增加了配体MTC分子中的共轭程度进而增强了荧光强度,并导致荧光发射波长微微蓝移。 其次,锰离子是稳定的化学价态,难以被氧化还原,从而保证了鳌合的稳定性。 最后,过渡金属锰与配体MTC配位后增加了配体刚性,减少了配体内部电子跃迁带来的能量损失[16-20]。 配合物的光致发光表明其可以作为潜在的绿光发射材料。
2.4 配合物的PXRD分析
对配合物的单晶模拟(图 7中的模拟)与室温下测的PXRD(图 7中的测量)进行对比。 可知,除了在强弱上有稍微差异,模拟和测试的特征峰位基本上一致,说明了配合物的结构的正确性,证明所得配合物样品为纯相,几乎不含任何杂质。
2.5 配合物的热分析
如图 8所示,配合物显示了两个分解阶段,从300 K到510 K可以归因于一个配体分子的损失(测试:34.73%;理论:35.57%),其分解温度为470.7 K。 第二阶段从510 K到850 K对应于配合物骨架坍塌,对应的最终产物是MnO2,由于热重测试是在N2气气氛下,配合物随着温度升高,有机物被逐渐灼烧,最终产物是MnO2。
3 结 论
以1,2,4-三氮唑-3-羧酸甲酯为配体,锰离子为金属框架,构筑了一个新的配合物[Mn(C3H2N3O2)2(H2O)2]。 通过单晶X射线衍射分析,分子间氢键和弱的π-π空间叠加效应,使2D网络结构组装成为3D网络结构。 对配合物和配体的固体荧光分析表明,锰离子的引入使荧光增强,发生蓝移。
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表 1 配合物1的晶体晶体学参数和结构精修数据
Table 1. Crystal date and structure refinement data of complex
Crystal data Complex Empirical formula C6H8MnN6O6 Crystal system Monoclinic Space group P21/c b/nm 8.7619(3) β/(°) 93.4360(10) Z 2 μ/mm-1 1.222 Crystal size/mm3 0.1×0.08×0.04 Data/restraints/parameters 1102/0/89 R1/wR2[I>2σ(I)] R1=0.0269,wR2=0.1091 Δρmax/Δρmin/(e·A-3) 0.472/-0.379 Formula mas 315.12 T/K 295(2) a/nm 9.2282(3) c/nm 6.9094(2) V/nm3 557.67(3) Dcalcu/(g·cm3) 1.877 F(000) 318 Reflections collected 11332 GOF 1.106 R1/wR2(all data) R1=0.0274,wR2=0.1117 表 2 配合物的部分键长和键角数据
Table 2. The data of selected bond lengths(nm) and angles(°) of complex
Bond lengths/nm Mn(1)—O(2) 2.1859(9) Mn(1)—O(3W) 2.1895(10) Mn(1)—N(1) 2.2399(13) Mn(1)—O(2)#1 2.1859(9) Mn(1)—O(3W)#1 2.1895(10) Mn(1)—N(1)#1 2.2399(13) Bond angles/(°) O(2)—Mn(1)—O(2)#1 180.0 O(2)#1—Mn(1)—O(3W) 94.27(4) O(2)#1—Mn(1)—O(3W)#1 85.73(4) O(2)—Mn(1)—N(1)#1 104.29(4) O(3W)—Mn(1)—N(1)#1 87.96(5) O(2)—Mn(1)—N(1) 75.71(4) O(3W)—Mn(1)—N(1) 92.04(5) N(1)#1—Mn(1)—N(1) 180.0 O(2)—Mn(1)—O(3W) 85.73(4) O(2)—Mn(1)—O(3W)#1 94.27(4) O(3W)—Mn(1)—O(3W)#1 180.0 O(2)#1—Mn(1)—N(1)#1 75.71(4) O(3W)#1—Mn(1)—N(1)#1 92.04(5) O(2)#1—Mn(1)—N(1) 104.29(4) O(3W)#1—Mn(1)—N(1) 87.96(5) Symmetry codes: #1:-x+2,-y+1,-z+2. 表 3 配合物的氢键键长与键角
Table 3. Hydrogen bond lengths(nm) and angles(°) of complex
DHA d(D—H) d(HA) d(DA) ∠DHA N(2)H(2)O(1)#2 0.86 1.91 2.7429(15) 163.2 O(3W)H(3WA)O(2)#3 0.82 1.94 2.7434(13) 165.8 O(3W)H(3WB)O(1)#4 0.95 1.88 2.7249(14) 147.0 Symmetry codes:#2 -x+1,y-1/2,-z+3/2; #3 x,-y+3/2,z-1/2; #4 -x+2,y-1/2,-z+3/2.
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