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新型1, 2, 4-三唑重金屬離子熒光淬滅劑的合成、表征與性能

2015-06-27 05:55陳連清謝林波鐘柔潮蘭少花雷小萍陸儉潔
關鍵詞:苯環三唑配位

陳連清,謝林波,鐘柔潮,蘭少花,雷小萍,陸儉潔

(中南民族大學 催化材料科學國家民委-教育部共建重點實驗室, 武漢 430074)

新型1, 2, 4-三唑重金屬離子熒光淬滅劑的合成、表征與性能

陳連清,謝林波,鐘柔潮,蘭少花,雷小萍,陸儉潔

(中南民族大學 催化材料科學國家民委-教育部共建重點實驗室, 武漢 430074)

為尋找快速顯示重金屬離子并生成沉淀去除的新型熒光淬滅劑,以4-氨基-3,5-二(2-羥基苯基)-1,2,4-三唑[NH2C2N3(C6H4OH)2]為配體,合成重金屬(Co, Cr, Mn, Ni)配合物,通過IR,1H NMR,13C NMR, MS和元素分析等確認其配位方式和結構,并測試了配合物的熱重、紫外和熒光淬滅性能.結果表明:此類金屬配合物熱穩定性較好,Mn和Ni配合物高溫下分解為氧化物;配合物的紫外吸收強度較配體有所減弱;配體熒光與重金屬離子配位后發生淬滅,說明重金屬離子Co, Cr, Mn, Ni是1,2,4-三唑配體優良的熒光淬滅劑,可通過配位生成沉淀去除.

1, 2, 4-三唑;金屬配合物;合成;熱性能;熒光淬滅劑

重金屬離子特別是Co, Cr, Mn, Ni等對環境積累效應所致危害日趨嚴重,而目前對其熒光顯示和去除技術極為有限[1]. 三唑配合物具有特殊的磁學、光學、電學等性質,在熒光傳感領域中具有極大的潛在應用價值[2]. 如1, 2, 4-三唑配合物可應用于光學材料、染料、信息儲蓄、抗腫瘤和重金屬離子熒光傳感等[3].1, 2, 4-三唑衍生物是富含N原子的雜環化合物,是很好的熒光材料,其三氮雜環與苯環共軛形成較大π-電子共軛體系,離域電子較易激發,導致很強的熒光發射;而當它的共軛體系被破壞或由富電子基團(三唑環)向缺電子基團(金屬離子)發生電子轉移,會導致熒光淬滅,其中重金屬離子、氧分子和硝基化合物等均可作為1, 2, 4-三唑的淬滅劑[4].

4-氨基-3,5-二(2-羥基苯基)-1,2,4-三唑[NH2C2N3(C6H4OH)2]具有多個配位點,有豐富的配位模式(末端、橋聯、螯合),易與重金屬離子絡合形成金屬配合物[5-7]. NH2C2N3(C6H4OH)2含有2個羥基和1個氨基,與金屬離子配位能力強,但由于N和O原子與部分金屬離子絡合形成配合物后,破壞了三唑雜環與苯環形成的共軛體系,三唑環的電子云向金屬離子偏移,導致金屬配合物發生熒光淬滅,可快速指示環境中重金屬離子的存在,并生成沉淀去除.本文利用NH2C2N3(C6H4OH)2具有較強熒光發射,與重金屬離子絡合后,熒光發生淬滅,可快速顯示重金屬離子的存在;同時生成配合物沉淀,可將重金屬離子捕獲并去除的特性,首次設計合成了NH2C2N3(C6H4OH)2的重金屬離子(Co, Cr, Mn和Ni)配合物,并探究其熱穩定性和熒光淬滅性能,合成路線如圖1.

圖1 NH2C2N3(C6H4OH)2配體和金屬配合物的合成路線Fig.1 Synthetic route of 3, 5-bis(o-hydroxyphenyl)-4-amino-1,2,4-triazole ligand and metal complexes

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

水楊酸、水合肼等(上海國藥集團化學試劑公司),三水合醋酸錳、六水合三氯化鉻、六水合氯化鈷、四水合醋酸鎳等購(阿拉丁公司),均為市售分析純,使用前未進一步純化.

傅里葉紅外光譜儀(KBr壓片, Nexus 470 FTIR型,日本島津),GC-Mass (Agilent 6890N- 5973N型,美國),元素分析儀(VarioEL III CHNS型,美國),質譜儀(ZAB 3F-HF型,美國),核磁共振儀(Bruker AVANCE 400 MHz型,德國),紫外-可見光譜分光光度計(Lambda-Bio35,日本島津),熒光分光光度計儀(PE LS-55型,美國),熱分析儀(TGS-2 型,美國Perkin-Elmer),X射線光電子能譜儀(VG Multilab 2000,美國Thermal Electron),CCD單晶衍射儀(Bruker Smart-APEX II,德國).單晶用惰性油粘在玻璃絲上作晶胞測定,所有數據在Bruker AXS Smart CCD衍射儀上用石墨單色化的MoKα射線 (λ=0.71073 ?)收集.所有的非氫原子用各向異性的參數描述,在SHELXL-97 程序上用F2全矩陣最小二乘法優化,氫原子在計算的位置導入.所有的晶體結構圖由ORTEP-3軟件畫出.

1.2 4-氨基-3, 5-二(2-羥基苯基)-1,2,4-三唑[NH2C2N3(C6H4OH)2](L)的合成

100 mL燒瓶中加入4.08 g (0.015 mol)N,N′-二(2-羥基苯甲酰)肼和20 mL水合肼攪拌回流3 h,旋蒸出過量的水合肼,剩余油狀物中加入冰水,即析出沉淀[8],抽濾,粗產物用無水乙醇重結晶,得粉紅色晶體1.83 g,產率49.0 %,熔點: 259~260℃. IR (KBr, cm-1): 3425(O-H), 3332 (N-H), 2920, 2676, 2557 (=C-H), 1582 (C=N), 1525, 1485 (苯環骨架), 1380(O-H面內彎曲), 1248 (C=N-N), 1162, 1011 (芳醚C-O).1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ:11.27 (s, 2H, OH), 8.06 (q, 2H, Ph-H), 7.43 (m, 2H, Ph-H), 7.04 (q, 4H, Ph-H), 6.14 (s, 2H, NH2).13C NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 156.53,153.46,132.05,130.24,119.59,116.95,113.20; MS (FAB):m/e,267 (M+). 晶體數據見表1.

表1 配體L的晶胞參數

注:1)R= ∑||Fo|─|Fc||∕ ∑|Fo|; 2)wR= [∑w(|Fo│2─|Fc|2)2]/ ∑w|Fo|2]1/2

1.3 三唑金屬(Co,Cr,Mn,Ni)配合物的合成

將0.268 g (1 mmol) NH2C2N3(C6H4OH)2的15 mL甲醇溶液滴加到氯化鈷(0.2380 g,1.0 mmol),三氯化鉻(0.2664 g),醋酸錳(0.2270 g),醋酸鎳(0.2488 g)的 3 mL甲醇溶液中,室溫攪拌1 h,得到沉淀,抽濾、水洗、真空干燥,即得配合物,產量分別為0.23 g (0.21 g,0.26 g,0.20 g).

Co[NH2C2N3(C6H4OH)(C6H4O)]3(1):紫紅色粉末,產率80.1%. IR (KBr,cm-1): 3414 (O-H),3329 (N-H),2698,2588 (=C-H),1620 (C=N),1526,1482 (苯環骨架),1427 (O-H面內彎曲),1254 (C=N-N),1160,1111,1019 (芳醚C-O).1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 11.24 (s,3H),8.05 (d,6H),7.42 (q,6H),7.06 (m,12H),6.15 (s,3H).13C NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 206.90,156.56,132.05,130.21,119.59,113.24,79.66,31.12. Anal. Calc for C42H33N12O6Co:8.61,H 3.86,N 19.53; Found C 58.87,H 3.95,N 19.31. MS (FAB):m/e,861 (M+).

Cr2[NH2C2N3(C6H4O)2]3(2):淺藍色粉末,產率70.0%. IR (KBr,cm-1): 3437 (H2O),3360 (N-H),2975,2367 (=C-H),1621 (C=N),1522,1485 (苯環骨架),1256 (C=N-N),1156,1089,1045 (芳醚C-O).1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 7.96 (d,6H),7.43 (t,6H),7.00 (q,12H),6.18 (s,6H).13C NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 156.61,132.78,130.82,119.69,116.95. Anal. Calc for C42H30N12O6Cr2: C 55.88,H 3.35,N 18.62; Found C 56.47,H 3.51,N 17.56. MS (FAB):m/e,903 (M+).

Mn2[NH2C2N3(C6H4O)2]2(3):淺紅色粉末,產率81.0%. IR (KBr,cm-1): 3420 (H2O),2972 (=C-H),1623 (C=N),1482 (苯環骨架),1253 (C=N-N),1088,1047 (芳醚C-O).1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 8.04 (s,4H),7.39 (s,4H),7.02 (d,8H).13C NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 206.93,79.67,31.15. Anal. Calc for C28H20N8O4Mn2: C 52.35,H 3.14,N 17.10; Found C 52.93,H 3.20,N 16.73. MS (FAB):m/e,643 (M+).

Ni2[NH2C2N3(C6H4O)2]2(4):深綠色粉末,產率62.1%. IR (KBr,cm-1): 3425 (H2O),2850,2650,2390 (=C-H),1610 (C=N),1485,1463 (苯環骨架),1264 (C=N-N),1150,1121,1028 (芳醚C-O).1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ: 8.04(d,4H),7.41~7.38 (t,4H),7.07 (d,4H),7.00~6.96 (t,4H).13C NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 156.67,153.54,132.04,130.24,119.51,117.02,113.26. Anal. Calc for C28H20N8O4Ni2: C 51.75,H 3.10,N 17.24; Found C 52.13,H 3.27,N 17.08. MS (FAB):m/e,650 (M+).

2 結果與討論

2.1 配體L及金屬配合物合成

合成配體NH2C2N3(C6H4OH)2時,因鄰羥基苯甲酰氯與水合肼反應劇烈難控制,而采用單酰肼法合成三唑環,即將鄰羥基苯甲酰氯酯化后與水合肼交換反應得到單酰肼-鄰羥基苯甲酰肼,再與鄰羥基苯甲酰氯縮合環化得到取代三唑.化合物中的N或O周圍豐富的孤對電子易與金屬離子中的空軌道配位形成配位鍵,且含N的配體屬于硬堿,含O的配體是軟堿,易與金屬離子進行絡合配位生成難溶的沉淀.反應條件溫和,易控制,時間短,副產物少,產率高.

2.2 紅外光譜表征

配體L和金屬配合物的紅外光譜見圖2.由圖2可知,5個化合物在1580~1480 cm-1范圍內均有吸收峰,歸屬為苯環骨架振動峰;1620 cm-1附近是C=N的伸縮振動吸收峰 (L: 1582 cm-1, 1: 1620 cm-1, 2: 1621 cm-1, 3: 1623 cm-1, 4: 1610 cm-1),比普通C=N鍵的吸收(1630 cm-1)偏低,這是由于C=N與苯環形成π-π共軛導致C=N向低波數移動.1260 cm-1附近是三唑環體系C=N-N的伸縮振動峰[9];配體L在3425 cm-1的伸縮振動吸收峰,表明分子存在-OH,在3300 cm-1附近的吸收峰,與分子中存在-NH2相符.配合物1在3414 cm-1處出現-OH的伸縮振動峰,1427 cm-1出現-OH面內彎曲振動峰,說明1存在游離-OH,在1160和1111 cm-1出現Ar-O的伸縮振動峰,說明1中只有1

個-OH參與Co離子配位.配合物2在3437 cm-1處出現-OH的伸縮振動峰,在1156和1089 cm-1出現Ar-O的伸縮振動峰,說明-OH均參與Cr離子配位;在3360 cm-1處出現N-H伸縮振動峰, 1522 cm-1處出現伯胺特征吸收峰,說明-NH2未參與配位.配合物3和4在3330 cm-1附近N-H伸縮振動峰消失,在1522 cm-1處無N-H面內彎曲振動峰,說明-NH2參與配位;在3420 和3425 cm-1處出現-OH的伸縮振動峰,未見羥基面內彎曲振動峰,在1156和1089 cm-1出現Ar-O的伸縮振動峰,說明-NH2均參與Mn或Ni離子配位;配合物2,3和4在3437,3420 cm-1和3425 cm-1有吸收,是樣品置于空氣中水的-OH干擾所致.具體數據見表2.

σ/cm-1圖2 配體L及金屬配合物的紅外譜圖Fig.2 FT-IR spectrum of ligand L and metal complexes

不同配合物σ/cm-1-OH芳醚N-H伸縮N-H面內=C-H;苯環骨架;C=N-NC=NL3425(1380)1162,101133321525(-NH2)2920,2676,2557;1485;1248158213414(1427)1160,1111,101933291526(-NH-)2698,2588;1482;1254162023437(游離)1156,1089,104533601522(-NH2)2975,2367;1485;1256162133420(游離)1088,1047--2972;1482;1253162343425(游離)1150,1121,1028--2850,2650,2390;1485,1463;12641610

注:- 表示吸收峰消失

2.3 NMR表征

從配體L和配合物核磁氫譜可知,苯環上羥基質子的化學位移為L:11.27(1: 11.24),8.05~7.00處多重峰,歸屬于苯環上H的化學位移;L:6.14(1: 6.15; 2: 6.18)處單峰,歸屬于-NH2氨基上H的化學位移. 在配體L和配合物核磁碳譜中,由于O原子的電負性較大,誘導效應使與O相連的兩個C帶部分正電荷,其δ值向低場位移;與N相連的C誘導效應和共軛效應的共同作用δ值向低場位移. 結合IR和NMR數據,證實Co配合物以一個-OH和-NH2的配位模式被成功合成;Cr配合物以-OH配位,-NH2游離的配位模式;Mn和Ni配合物以-OH和-NH2均絡合的配位模式.圖3中XPS數據進一步證實Ni配合物被成功合成.

配體和金屬配合物的1H NMR和13C NMR結果見表3.由表3可知,4種金屬離子與三唑的配位模式均采用-OH中的O或-NH2中的N孤對電子進行配位,與三唑環中的N關系不大,核磁和紅外數據等證實Co離子與配體中-OH和-NH2的O和N進行配位,存在游離-OH,分子式為Co[NH2C2N3(C6H4OH)(C6H4O)]3;Cr離子只與配體中OH的O進行配位,存在游離-NH2,分子式為Cr2[NH2C2N3(C6H4O)2]3;Mn和Ni金屬離子與配體中-OH和-NH2的O和N原子進行配位,不存在游離-OH和-NH2,分子式Mn2[NH2C2N3(C6H4O)2]2和Ni2[NH2C2N3(C6H4O)2]2.

表3 配體和金屬配合物的1H NMR和13C NMR

注:- 表示吸收峰消失

2.4 配合物4的XPS表征

由Ni配合物的XPS能譜(見圖3)可知,配合物中存在Ni、O、N、C元素的特征能譜峰,其電子結合能分別為868(Ni2p),532(O1s),400 (N1s) 和285(C1s) eV,進一步說明Ni離子與3, 5-二(2-羥基苯基)-4-氨基-1,2,4-三唑配位成功.

圖3 配合物4的XPS全譜圖和各元素的高分辨能譜圖 (插圖)Fig.3 XPS spectrum of complex 4 and high-resolution energy spectrum of each element (illustration)

2.5 晶體結構

配體NH2C2N3(C6H4OH)2的晶胞圖和分子堆積結構結果見圖4和圖5,部分鍵長和鍵角見表4.C2N3(C6H4OH)2NH2配體分子中有3個芳環,其中1個苯環和三唑環在同一平面,并與另一個苯環所在的平面成90°角.三唑環兩邊為對稱結構,C(7)-N(1)、C(8)-N(2) 是雙鍵,其鍵長1.317(3)?比C(7)-N(3)、C(8)-N(3)鍵長1.369(3)?短;N(1)-N(2)鍵長1.386(3)?比N(3)-N(4)的鍵長1.416(3)?短,主要是N(1)-N(2)與C(7)、C(8)之間存在鍵長平均化.

圖4 配體L的分子結構圖Fig.4 The molecular structure of ligand L

圖5 配體L的分子堆積結構 Fig.5 Molecular Packing structure of ligand L

成鍵原子鍵長/?鍵角原子鍵角/(°)鍵角原子鍵角/(°)C(1)-O(1)1.356(4)N(1)-C(7)-N(3)108.2(2)C(8)-N(2)-N(1)107.3(2)C(7)-N(1)1.317(3)N(2)-C(8)-N(3)109.0(2)H(4A)-N(4)-H(4B)120.0C(7)-N(3)1.369(4)O(2)-C(14)-C(9)118.1(2)N(3)-C(8)-C(9)124.9(2)C(8)-N(2)1.317(3)C(7)-N(1)-N(2)108.6(2)O(2)-C(14)-C(13)122.9(3)C(8)-N(3)1.369(3)C(8)-N(3)-N(4)125.7(2)C(8)-N(3)-C(7)106.9(2)C(14)-O(2)1.355(3)N(1)-C(7)-C(6)123.2(2)N(3)-N(4)-H(4)120.0N(1)-N(2)1.386(3)N(2)-C(8)-C(9)126.0(2)C(1)-O(1)-H(1)109.5N(3)-N(4)1.416(3)C(7)-N(3)-N(4)127.1(2)

2.6 性能研究

2.6.1 熱重分析

配合物3和4的熱重分析結果分別見圖6 a、6 b.由Mn、Ni配合物的TGA-DTA曲線可知,Mn配合物在138~178℃失重,Ni配合物在178~242℃失重,這是樣品失去吸附水所致.Mn配合物在187~324℃第1次劇烈分解質量減少57.29%在385~526℃第2次分解質量減少32.83%,均為配體失重;579~659℃第3次分解質量減少 3.23%,殘留產物為MnO2,殘留質量為5.50%(計算值:5.00%).Ni配合物在290~451℃第1次劇烈分解質量減少53.12%,452~620℃第2次分解質量減少26.19%,265~778℃第3次分解質量減少23.99%,均為配體失重;殘留產物為NiO,殘留質量為3.70%(計算值:4.00%).從熱重分析可知,此類金屬配合物熱穩定性較好.

圖6 配合物3(a)和4(b)的TGA-DTA曲線Fig.6 TGA-DTA curve of complex 3(a) and 4(b)

2.6.2 紫外光譜

配體L和配合物的紫外光譜見圖7.由圖7可知,配體L和配合物在218 nm出現苯環特征吸收峰,在252 nm處有吸收,是各化合物中三唑環的特征吸收峰[10];而在292 nm處吸收,歸結于苯環上2個羥基氧和三唑環上氨基氮孤對電子與苯環和三唑環上π電子形成p-π共軛,擴大了共軛程度,使體系吸收紅移.金屬配合物的紫外吸收強度較配體本身弱,說明金屬離子與配體中N或O原子配位,使N和O電子云密度減少,體系共軛程度有所破壞.

λ/nm圖7 配體L及金屬配合物的紫外光譜Fig.7 Uv-vis spectra of ligand L and metal complexs

2.6.3 熒光光譜

配體L和配合物的PL光譜見圖8.由圖8可知,配體熒光發射峰Em = 449 nm(Ex = 339 nm),熒光強度比較大,說明該化合物的三氮雜環與苯環共軛形成較大π-電子共軛體系,離域電子較易激發,具有較好的發光性能.當NH2C2N3(C6H4OH)2與重金屬(Cr、Co、Mn、Ni)配位后,N和O原子與金屬離子絡合,破壞了三唑雜環與苯環形成的共軛體系,三唑環的電子云向金屬離子偏移,電子的π-π*躍遷受阻,導致熒光淬滅,可快速指示環境中重金屬離子的存在,并生成沉淀去除.故NH2C2N3(C6H4OH)2金屬(Cr、Co、Mn、Ni)配合物是良好的光淬滅劑.

圖8 配體L及金屬配合物的PL光譜Fig.8 PL spectra of ligand L and metal complexes

配合物λ(abs)/nmλ(Em)/nmλ(Ex)/nmIL218(3.280),252(2.743),292(2.36)4493394241214(2.197),251(1.516),291(1.187)449339512211(2.634),243(2.112),287(1.937)44933933216(2.308),250(1.682),292(1.451)449339344213(2.548),242(1.894),291(1.587)44933916

3 結語

本文以水楊酸、水合肼為初始原料,采用單酰肼法縮合環化生成4-氨基-3,5-二(2-羥基苯基)-1,2,4-三唑,并在溫和的反應條件下,成功合成了4種金屬配合物,利用IR、1H NMR、13C NMR、MS、單晶結構和元素分析等表征手段確認了其配位方式和結構.此類金屬配合物熱穩定性較好,Mn和Ni配合物高溫下分解為氧化物.三唑化合物本身具有較好發光性能,但與金屬離子Co、Cr、Mn、Ni配位形成沉淀后熒光淬滅,在常溫下即能快速顯示重金屬離子的存在,同時生成沉淀很方便除去重金屬離子.故4-氨基-3,5-二(2-羥基苯基)-1,2,4-三唑金屬配合物是良好的光淬滅劑和重金屬離子捕獲劑,可降低環境污染.

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[10] Crawford J C. 2(2-hydroxyphenyl)-2H-benzotriazole ultraviolet stabilizers[J]. Prog Polym Sci, 1999, 24(1): 7-43.

Synthesis, Characterization and Properties of Novel 1, 2, 4-Triazole Heavy Metal Ion Fluorescence Quencher

ChenLianqing,XieLinbo,ZhongRouchao,LanShaohua,LeiXiaoping,LuJianjie

(Key Laboratory of Catalysis and Materials Science of the State Ethnic Affairs Commission &Ministry of Education, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China)

To find out a novel fluorescent quencher that may rapidly detect and remove heavy metal ions, a series of heavy metal (Co, Cr, Mn, Ni) complexes with 4-amino-3,5-bis (o-hydroxyphenyl)-1, 2, 4-triazole as ligand were synthesized. Their structures and coordination modes were confirmed by IR,1H NMR,13C NMR, MS and element analysis. The TGA, ultraviolet spectra and fluorescence quenching properties were also discussed. The results showed these complexes had good thermal stability. The Mn and Ni complexes were decomposed into stable oxide at high temperatures. The UV absorption intensity of the complexes was weaker than that of the ligand. The fluorescence of ligand was quenched when the ligand was coordinated with metal ions, which indicated heavy metal ions (Co, Cr, Mn, Ni) are good fluorescence quenchers for 1, 2, 4-triazole ligand and could be removed as precipitate.

1, 2, 4-triazole; metal complexes; synthesis; thermal performance; fluorescence quencher

2014-06-05

陳連清(1979-),男,副教授,博士,研究方向:有機光電材料,E-mail: lqchen@mail.scuec.edu.cn

國家自然科學基金資助項目(20702064, 21177161);人事部留學人員科技活動擇優資助項目(BZY13007);湖北省杰出青年基金資助項目(2013CFA034);武漢市青年科技晨光計劃(201271031422);湖北省高等學校省級教學研究項目(JYS11001);中南民族大學實驗室開放與技改項目(KF2013007)

TQ031.2

A

1672-4321(2015)03-0015-07

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