氨基修飾的多孔纏繞MOF的合成及其催化CO2性能研究

蘇其金,劉 爽,郭華東

(長春師范大學化學學院,吉林 長春 130032)

工業化進程的快速發展,帶來了一系列的生態環境問題,其中CO2造成的溫室效應的影響最為嚴重[1-3]。因此,怎樣降低大氣中的CO2含量成為研究熱點。以多孔為主的MOFs材料能吸附CO2,由于其操作簡便、處理費用低廉等優點,已成為CO2吸收捕獲技術中極具競爭力的一種材料[4-5],能為CO2資源化利用提供幫助[6-7]。CO2與環氧化合物的環加成形成環狀碳酸酯的反應是一種綠色、環保的化學反應,在生物醫藥、化工等領域有著廣泛的應用[8-10]。

目前,以MOFs材料為代表的多相催化劑普遍存在的缺點是催化效率低、選擇性差[11]。因此,運用功能化的官能團修飾MOFs,既保留MOFs的多孔性和比表面大的特點,還改進了表面活性和結構,擴大了應用范圍[12-13]。研究發現,采用前合成修飾方法引入不同的官能團,可以增強有機配體的主客之間的作用力,提高MOFs材料的催化性能。在此基礎上,通過在催化劑表面引入更多的活性位,可以增強其協同作用[14-15]。

氨基修飾MOFs是近年來研究熱點之一[16]。首先,氨基作為路易斯堿,可增強對弱酸的目標物質(CO2、C2H2)及基質的吸附[17-18]。氨基具有很強的親核性質,更利于催化反應的進行[19]。此外,氨基還容易與其他物質發生反應,與其產生的氫鍵有“錨定”底物的作用[20]。氨基修飾MOFs在CO2與環氧烷烴的加成過程中表現出良好的協同效應[21]。因此,本研究設計、合成氨基修飾的2-NH2-H2bpdc配體,采用混合配體的方法構筑出一類具有特殊結構的金屬有機框架[Zn(2-NH2-bpca)(bimb)]·xsolvents,并定義為化合物1。經研究表明,該化合物不僅對CO2有很強的吸附性,而且對CO2的加成也有很好的催化作用。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

2-氨基-4-溴苯甲酸甲酯(上海阿拉丁)、4-甲氧羰基苯硼酸(上海阿拉丁)、硝酸鋅(北京化工廠)、N,N-二甲基甲亞胺(DMF,北京化工廠)、四(三-苯基磷)鈀(北京化工廠)、碳酸鉀(北京化工廠)、硝酸(北京化工廠)、二咪唑基苯(北京化工廠)、四氫呋喃(THF,北京化工廠)和其他無機鹽試劑(北京化工廠),所用試劑均為分析純。

X-射線單晶衍射(Bruker Smart ApexⅡ衍射儀,德國),粉末X-射線衍射PXRD(Bruker D2 Phaser,德國),熱重分析(TGA Q500分析儀,美國),紅外光譜分析(Perkin-Elmer 580 B,美國),氣體吸附檢測(ASAP 2460比表面積及孔徑分析儀,美國)。

1.2 物質的制備

1.2.1 2-NH2-H2bpdc配體的制備

在80℃下,將2-氨基-4-溴苯甲酸甲酯(15mmol)、4-甲氧羰基苯硼酸(18 mmol)、THF(80 mL)、Pd(PPh3)4(0.9 mmol)、K2CO3溶液(30 mmol)的混合物于250 mL雙頸燒瓶中,在N2保護下回流72 h。冷卻后,旋干THF,混合物用CHCl3和H2O多次萃取。采用無水MgSO4干燥并合并CHCl3溶液。采用V(氯仿)∶V(甲醇) = 200∶1的混合溶液進行柱層析后,產率為78%。

1.2.2 [Zn(2-NH2-bpca)(bimb)]·xsolvents的制備

在20 mL反應釜中,將2-NH2-H2bpdc(0.05 mmol)、二咪唑基苯(0.05 mmol)、Zn(NO3)2·6H2O(0.05 mmol)、H2O(1 mL)、DMF(3 mL)和0.1 mol/L的HNO3(1 mL)混合均勻后,在80℃下反應2 d。冷卻至室溫得到淡黃色晶體,用無水甲醇洗滌并風干。

1.3 催化CO2環加成反應實驗

以5%的化合物1與5%的四丁基溴化銨(TBAB)作為共催化劑,于101.325 kPa、80℃條件下反應12 h,用氣相色譜法測定反應底物的轉化率。再進行五輪循環的實驗后,對轉化效率進行計算。在以氧化苯乙烯、環氧氯丙烷、1,2-環氧癸烷為底物進行反應實驗,并對反應產物進行分析。

1.4 晶體結構測定與解析

運用Bruker Smart ApexⅡ衍射儀進行測試,并收集晶體數據。采用SHELXL程序解析化合物1,運用Shelrick 2018程序對晶體進行精修,把各向異性的非氫原子賦予成為氫原子,并確定位置。晶體學參數和結構細分參數見表1、表2和表3。

表2 化合物1的部分鍵長

表3 化合物1的部分鍵角

2 結果與討論

2.1 化合物1的晶體結構

經X-單晶射線衍射分析,證明化合物1結晶屬于正交晶系P212121空間群,化合物1晶體結構如圖1所示。

(a)化合物1中Zn(II)原子的配位環境

(b)化合物1金剛石拓撲網絡

(d)金剛石網絡互穿形成[3+2]模式的纏繞結構

如圖1所示,一個晶體學獨立的金屬Zn2+、一個2-NH2-bpca2-陰離子和一個bimb配體存在不對稱單元中。Zn2+呈現變形四面體的空間配位構型,與來自兩個2-NH2-bpca2-羧基上的氧原子和兩個bimb配體上的氮原子進行配位。所有的鍵長(表2)和鍵角(表3)都在合理的范圍內。2-NH2-bpca2-陰離子通過兩個單齒配位的羧基連接兩個Zn2+,bimb配體同樣作為雙齒配體連接兩個Zn2+(圖1a),這樣,金屬Zn2+通過配體相連形成了一個三維的網絡結構。如果將Zn2+簡化為節,有機配體簡化為連線,則該化合物的結構可以抽象為金剛石拓撲網絡(圖1b)。在該網絡中存在較大的金剛烷單元,節點之間的距離為2.789～3.622 nm(圖1c)。5個相同的金剛石網絡互穿,形成[3+2]模式的纏繞結構(圖1d)。需要注意的是,在該結構中仍然存在較大的空間,其占有率為39.7%。

2.2 化合物1的物理化學性能分析

化合物1的物理化學性能見圖2。圖2(a)中,化合物1的PXRD實驗圖譜(B)和模擬圖譜(A)主峰位置基本一致;經五輪催化后的PXRD圖譜(C)和實驗圖譜(B)主峰位置基本吻合,證明化合物1具有良好的穩定性,結構保持完整。如圖2(b),TGA是在加熱速率為10℃/min的N2氛圍中進行表征。結果表明,化合物1的TGA曲線失重的范圍在60～280℃使游離的H2O和DMF分子損失,大約為18.9%;在350～600℃是骨架的坍塌,失重為20.5%,說明在350℃下框架保持整體的穩定。如圖2(c),紅外分析催化前后圖譜變化不大,說明催化前后結構保持穩定。

(a)化合物1的PXRD圖譜

(b)化合物1的熱重分析圖譜

(c)化合物1的紅外光譜圖2 化合物1的基本表征

2.3 化合物1的氣體吸附和混合氣體的選擇性測試

通過對N2、CO2、CH4吸附檢測,分析化合物1的吸附性能。從圖3可以看出,化合物1在273 K時具有48.5 cm3·g-1的CO2的吸附量,在298 K時具有31.4 cm3·g-1的CO2的吸附量;為評價這種化合物和各種氣體的相互發生作用,利用維里(Verrie)分析法[22],基于吸附等溫線(273 K、298 K),計算出CO2的吸附等溫焓值Qst,結果為22.5 kJ·mol-1。從圖3可以看出,化合物1對CO2的吸附能力比對CH4、N2要大得多,說明氨基與CO2相互作用增強了,并大大提高了吸附量。

(a)CO2吸附等溫線(273 K,298 K)

(b)CO2吸附焓Qst

(c)CH4吸附等溫線(273 K,298 K)

(d)CH4吸附焓Qst

(e)N2吸附等溫線(273 K,298 K)

(f)N2吸附焓Qst

通過化合物1對CO2、CH4的吸附焓值及吸附量的明顯不同,利用IAST理論對化合物1在273 K和 298 K條件下的CO2、CH4的選擇性進行了計算。如圖4所示,在298 K條件下,化合物1表現出對于CO2/CH4達到6.5的較好的選擇性。通過對化合物1的測定,發現化合物1對CO2有很高的吸附量和選擇性。

2.4 化合物1催化CO2環加成反應實驗

2.4.1 化合物1催化CO2實驗條件優化

由于化合物1的孔隙率高和熱穩定性好,同時對CO2有較強的吸附性,可以促進CO2與環氧化合物環加成反應。如圖5所示,以1,2-環氧己烷與CO2環加成反應作為研究,添加TBAB作為輔助催化,探究化合物1的催化效果。

圖5 CO2與1,2-環氧己烷環加成反應的原理

由表4可知,添加了TBAB助催化劑后,催化效果得到了提高。對在不同的催化劑用量、時間和溫度等條件下進行探究,結果證明,5%的化合物1和5%的TBAB,在80℃、101.325 kPa條件下,反應12 h,最終1,2-環氧己烷轉化率為92.6%。

表4 不同條件下CO2與1,2-環氧己烷的環加成反應轉化率

2.4.2 化合物1的五輪催化實驗

為進一步探究化合物1的循環催化效果,并進行五輪的催化反應,在每次催化反應結束后用CH2Cl2溶液洗滌催化劑,再烘干。如圖6和圖7所示,最后一次轉化率為84.5%,說明化合物1可以進行循環使用。

圖6 化合物1五輪催化的轉化率

圖7 化合物1環催化實驗的GC圖

2.4.3 化合物1對不同環氧烷烴的催化測試

為探究化合物1對不同環氧烷烴作為底物的催化效果,選擇了三種環氧烷烴進行催化反應。由表5和圖8可知,在催化條件一樣的情況下,1,2-環氧己烷轉化率為92.6%,然而1,2-環氧癸烷、環氧氯丙烷和氧化苯乙烯的轉化率超過99%,說明化合物1對環氧烷烴催化效果較好。

表5 化合物1對不同環氧烷烴測試結果

圖8 不同環氧烷烴的GC圖

2.4.4 化合物1與TBAB催化CO2環加成反應的催化機理

通過分析表5,進而探究化合物1與TBAB催化機理。如圖9所示,底物中的氧原子結合路易斯酸Zn位點,氨基和CO2之間通過氫鍵相互作用,從而實現對TBAB的高效轉化。在此基礎上,TBAB通過Br-對環氧化合物進行“開環”,并與CO2發生作用生成陰離子。最終實現了對環狀碳酸鹽合成,并成功對催化劑和TBAB回收。其中,Zn位點的引入、助催化劑TBAB以及氨基團之間的相互影響是提高反應效率的關鍵因素。

圖9 化合物1與TBAB催化CO2環加成反應的催化機理

3 結論

本研究制備了以氨基功能化修飾的2-氨基-聯苯-4,4′-二羧酸(2-NH2-H2bpdc)的有機配體,并合成了新穎的MOFs:[Zn(2-NH2-bpca)(bimb)]·xsolvents,并對其結構和性能進行表征探究。實驗結果表明,該化合物是一類具有五重穿透結構的[3+2]相互穿透結構的金剛石拓撲網絡結構,孔隙率為39.7%,非配位氨基占據孔道內部,對CO2的吸附能力很強。化合物和TBAB共同催化下,在80℃、101.325 kPa條件下,1,2-環氧己烷與CO2環加成反應12 h后,轉化率為92.6%,并在相同條件下進行五輪循環催化,轉化率仍然為84.5%。選擇三種不同的環氧烷烴作為底物進行催化,轉化率均超過99%。研究結果表明,該化合物可以促進環氧烷烴與CO2加成反應,是一種催化效率很高的MOFs材料。