苯磺酸釹的合成及結構表征

王海丁，蔣曉宇，趙潤秋，黨欣語，王敏

苯磺酸釹的合成及結構表征

王海丁，蔣曉宇，趙潤秋，黨欣語，王敏*

（渤海大學化學與材料工程學院，遼寧 錦州 121013）

以苯磺酸與氧化釹為原料合成苯磺酸釹[Nd(C6H5SO3)3·2H2O]，通過熱重分析、紅外光譜、核磁共振光譜、掃描電鏡分析對其進行了結構表征，確定了分子結構和表面形貌。苯磺酸釹含2個結晶水，熱穩定性良好，表面呈分散的纖維棒狀。

苯磺酸釹；合成；表征

近年來磺酸稀土金屬配合物[1-4]的研究一直是化學工作者在稀土金屬有機配合物的合成與應用方面研究的重點。因稀土離子的電子結構具有的性能，使其具有發光、熒光、耐熱等性質[5-6]，其特性使稀土離子在磁[7]、光[8]、導電[9]、導熱[10]、催化[11]等方面存在應用價值。磺酸金屬配合物中SO3-基團的所有氧原子都可以與金屬離子配位，其配位模式多樣化并且具有可修飾性及較強的氫鍵形成能力，可形成高維的配位結構[12]，因此在電化學[13]、有機合成[14]、催化[15]等方面應用廣泛。從軟硬酸堿的觀點看,稀土離子屬于硬酸,因而它更傾向于與氧氮這樣一般稱之為硬堿的原子配位[16]，所以，磺酸稀土金屬配合物的合成及表征有重要的應用與理論研究的價值。本文以苯磺酸與氧化釹為原料合成得到了苯磺酸釹，通過熱重、紅外、核磁共振光譜和掃描電鏡對其分子結構和表面形貌進行研究。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：PYRIS DIAMOND TG/DTA熱分析儀（美國Perkin-Elmer公司）測定得到熱重曲線；采用Scimitar 2000 Near FT-IR Spectrometer型傅里葉變換紅外光譜儀（美國Agilent公司）進行紅外光譜測定；Agilent 400-MR型核磁共振儀（美國Agilent公司）進行核磁共振氫譜和碳譜的測定；S-4800型掃描電鏡（日本日立公司）得到掃描電鏡圖。

試劑：所用的苯磺酸和氧化釹均為市售分析純。

1.2 苯磺酸釹的合成方法

稱取25.0 g苯磺酸（70%）（0.11 mol），與水混合按1∶1體積比加入反應瓶內，緩慢加入6.7 g氧化釹（0.02 mol），在攪拌條件下加熱回流4 h。趁熱過濾，洗滌，合并濾液，蒸干，在真空和100 ℃條件下，干燥3 h后制得淡粉色粉末19.8 g，產率為87.6%。

2 實驗結果與討論

2.1 熱重分析

用熱重分析方法探究了苯磺酸釹在氮氣氣氛下的脫水和熱分解過程，所得到的TG曲線可提供多種信息，在25~800 ℃范圍內，測定了苯磺酸釹的熱重曲線（如圖1所示）。

圖1 苯磺酸釹的熱重譜圖

從圖1中可以看出，在氮氣氣氛中，苯磺酸釹的分解過程分為兩個階段進行。第一階段的失重過程在77~160 ℃范圍內失去結晶水，實際測得失重率為5.3%，理論計算值為5.5%（理論值與實測值基本一致），由計算可知苯磺酸釹中含結晶水個數為2個；第一步失水完成后，在160~570 ℃范圍內，苯磺酸釹未發生質量變化，說明在此溫度范圍內，苯磺酸釹可以穩定存在；在570 ℃后，苯磺酸釹發生第二階段的失重，失重原因是由于其內部結構骨架坍塌，從此處也可看出苯磺酸釹具有良好的熱穩定性；在熱分解結束時，殘渣重量為43.6%，最終得到的產物為黑色。

2.2 紅外分析

以KBr作為基質，在波數范圍4 000 cm-1到400 cm-1內對所合成的苯磺酸釹進行測定（如圖2所示）。

圖2 苯磺酸釹的紅外譜圖

從圖2中可以看出，磺酸基的硫氧雙鍵的對稱伸縮振動νsSO2= 1 137 cm-1，硫氧雙鍵的不對稱伸縮振動νasSO2= 1 172 cm-1，νC-S的伸縮振動吸收在755 cm-1，說明化合物分子中含有-SO3；在1 600~1 450 cm-1處出現特征峰說明化合物分子中含有苯環，所以在1 446 cm-1處的特征峰證明化合物分子中含有苯環。單取代通常在770~730 cm-1出現強吸收。所以732 cm-1出現的特征峰進一步證明了苯環的存在。在3 417 cm-1和1 643 cm-1附近出現的強吸收峰是絡合物分子中水分子的O-H鍵的伸縮振動和彎曲振動。

2.3 核磁共振光譜分析

核磁共振氫譜（見圖3）測試采用D2O作溶劑，TMS為內標，測試頻率為400 MHz，δ 7.78(s, 4H, ArH), δ7.54(s, 6H, ArH)。1H NMR分析結果表明，苯磺酸釹中已經沒有酸中殘留的羥基，δ = 4.79為溶劑D2O峰，以基準數值4.79為標準標定化學位移。核磁共振碳譜（見圖4）測試采用D2O作溶劑，TMS為內標，測試頻率100 MHz，δ 141.99，131.55，128.90，125.19。

圖3 苯磺酸釹的核磁氫譜圖

圖4 苯磺酸釹的核磁碳譜圖

2.4 掃描電鏡分析

應用掃描電子顯微鏡（SEM，見圖5）對苯磺酸釹的表面形貌和團聚情況進行分析。分別放大10 000、5 000、1 000和500倍，在500和1 000倍圖中可以看出，苯磺酸釹呈現出纖維棒狀分散的結構，堆積起來比較松散。放大至5 000和10 000倍后，可清晰地看到表面較為光滑平整，有較小的塊狀物團聚，大小不一的棒狀結構有斷裂的痕跡。

（a: 10 000倍、b: 5 000倍、c: 1 000倍、d: 500倍）

3 結 論

本文以苯磺酸與氧化釹合成了苯磺酸釹，并通過熱重、紅外、核磁共振光譜、掃描電鏡的表征手段對苯磺酸釹進行了表征。測試譜圖表明，其熱穩定性較好，表面呈現出纖維棒狀分散結構，堆積松散。詳細研究了苯磺酸釹的分子結構，對其應用研究有著重要意義。

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Synthesis and Structural Characterization of Neodymium Benzenesulfonate

,,,,*

（College of Chemistry and Materials Engineering, Bohai University, Jinzhou Liaoning 121013, China）

Neodymium benzenesulfonate [Nd(C6H5SO3)3·2H2O] was synthesized from benzenesulfonic acid and neodymium oxide. Its structure was characterized by thermogravimetric analysis (TG), infrared spectroscopy (IR), nuclear magnetic resonance (NMR) and scanning electron microscopy (SEM). The molecular structure and surface morphology of neodymium benzenesulfonate were determined. The results show that the neodymium benzenesulfonate contains two crystalline water, has good thermal stability, andits surface is in the form of scattered fiber rods.

Neodymium benzenesulfonate; Synthesis; Characterization

2020年大學生創新創業項目計劃（項目編號：202010167017）。

2021-01-17

王海丁（2000-），女，滿族，安徽省來安縣人，研究方向：綠色化學。

王敏（1977-），女，滿族，教授，博士，研究方向：綠色催化化學。

O742+.5

A

1004-0935（2021）04-0467-04