蔣伍玖 李驁典 唐銘豪 南小龍 譚延亮 譚宇星*,
(1衡陽師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,功能金屬有機(jī)材料湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,功能金屬有機(jī)化合物湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湘江上游重金屬污染監(jiān)測與治理湖南省工程研究中心,衡陽 421008)
(2湖南省核工業(yè)地質(zhì)局306大隊(duì),衡陽 421008)
(3衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,鈾礦勘查技術(shù)湖南省工程研究中心,衡陽 421002)
鈾是一種放射性金屬元素,它是自然界中存在的最重要的核燃料,是核能發(fā)展過程中備受關(guān)注的一個(gè)元素[1-3]。在核燃料循環(huán)首端,鈾的開采與純化過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)鈾的釋放;在核燃料循環(huán)末端,放射性廢物中也會(huì)含有大量未反應(yīng)的鈾[4]。目前,世界上許多國家都在加緊核廢料的處置研究,期望可以利用化學(xué)方法進(jìn)行核廢料的處理與再利用。因此,研究鈾的配位化學(xué),了解鈾元素的成鍵特性,探討新穎鈾酰配合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),可以為解決核能發(fā)展所面臨的核廢料安全儲(chǔ)存以及核泄漏造成的放射性污染等問題提供實(shí)驗(yàn)積累和新的思路。
鈾的電子層構(gòu)型為[Rn]5f36d17s2,其5f軌道的中子對外層電子具有屏蔽效應(yīng),使得鈾具有多變的氧化態(tài),其中+6價(jià)最為穩(wěn)定,高氧化態(tài)的中心離子正電性高,離子半徑大,對配體的吸引力強(qiáng),能夠吸引更多的配體從而形成高配位數(shù)的配合單元[5-9]。因此,我們設(shè)計(jì)了2組有機(jī)配體(L1=N′,N?-((2E,3E)-butane-2,3-diylidene)bis(4-hydroxybenzohydrazide),L2=2,4,5-三氟-3-甲氧基苯甲酸,Phen=菲咯啉)與醋酸雙氧鈾的自組裝反應(yīng),通過“一鍋法”得到了2個(gè)未見報(bào)道的鈾酰配合物,并且研究了配合物的熱穩(wěn)定性、光譜性質(zhì)以及量子化學(xué),為鈾酰配合物在核廢料處理、催化、礦物學(xué)和能源學(xué)等方面的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。
圖1 配體的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the ligands
IR用日本島津Prestige-21紅外光譜儀(4 000~400 cm-1,KBr壓片)測定。元素分析用PE-2400(Ⅱ)元素分析儀測定。晶體結(jié)構(gòu)用Bruker SMART APEXⅡCCD單晶衍射儀測定。UV-Vis光譜用日本島津公司UV-2550型紫外可見光譜儀測定。熒光光譜用日本日立F-7000熒光光譜儀測定。熱重(TG)和微商熱重(DTG)曲線用德國NETZSCH TG 209 F3熱重分析儀測定。熔點(diǎn)用北京泰克X-4雙目體視顯微熔點(diǎn)測定儀測定(溫度計(jì)未經(jīng)校正)。
實(shí)驗(yàn)中所用的試劑均為分析純試劑,未經(jīng)進(jìn)一步純化而直接使用。
配合物的合成路線如圖2所示。
圖2 配合物的合成線路Fig.2 Synthesis routes of the complexes
[UO2(L1)(CH3COO)]·3CH3OH(C1):在 20 mL 的水熱反應(yīng)釜中加入1 mmol對羥基苯甲酰肼、0.5 mmol 2,3-丁二酮、0.5 mmol醋酸雙氧鈾和10 mL甲醇,將體系混合均勻后密封,置于120℃的烘箱中反應(yīng)24 h,再通過程序降溫(5℃·h-1)逐漸恢復(fù)至室溫。過濾,用甲醇淋洗,得到配合物C1的黃色塊狀晶體,產(chǎn)率 56%。m.p.65~67 ℃(dec)。元素分析(C23H32N4O11U)實(shí)測值(計(jì)算值,%):C,35.52(35.48);H,4.16(4.14);N,7.16(7.20)。IR(KBr,cm-1):3 566(s),3 404(m),3 154(m),3 011(w),2 974(w),2 814(w),1 599(s),1 549(s),1 504(s),1 472(s),1 449(s),1 377(s),1 329(s),1 292(s),1 242(s),1 192(s),1 171(s),1 123(w),1 096(m),1 061(m),993(m),912(s),851(m),827(m),758(m),687(m),629(m),546(w),509(w),444(w),436(w)。
[UO2(L2)(Phen)(CH3O)](C2):在20 mL的水熱反應(yīng)釜中加入0.5 mmol L2、0.5 mmol Phen、0.5 mmol甲醇鈉、0.5 mmol醋酸雙氧鈾和10 mL甲醇,將體系混合均勻后密封,置于120℃的烘箱中反應(yīng)24 h,再通過程序降溫(5℃·h-1)逐漸恢復(fù)至室溫。過濾,用甲醇淋洗,得到配合物C2的黃色塊狀晶體,產(chǎn)率59%。m.p.220~222℃。元素分析(C21H15F3N2O6U)實(shí)測值(計(jì)算值,%):C,36.84(36.75);H,2.19(2.20);N,4.08(4.08)。 IR(KBr,cm-1):3 057(w),2 914(w),2 876(w),2 808(w),1 624(w),1 587(w),1 574(w),1 520(s),1 456(s),1 422(s),1 348(m),1 150(m),1 107(m),1 067(s),1 003(w),891(s),860(s),822(m),789(m),725(s),675(s),640(m),436(s),420(m),401(m)。
采用經(jīng)石墨單色化的MoKα射線(λ=0.071 073 nm),以φ-ω掃描方式收集衍射數(shù)據(jù)。全部數(shù)據(jù)經(jīng)Lp因子和多重掃描吸收校正。晶體結(jié)構(gòu)由直接法解出,全部非氫原子坐標(biāo)在差值Fourier合成中陸續(xù)確定,理論加氫法給出氫原子在晶胞中的位置坐標(biāo)。對氫原子和非氫原子分別采用各向同性和各向異性熱參數(shù)進(jìn)行全矩陣最小二乘法修正,全部結(jié)構(gòu)分析計(jì)算工作采用SHELX-2014程序系統(tǒng)完成。
CCDC:2077418,C1;2077419,C2。
表1 配合物C1和C2的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Crystallographic data of complexes C1 and C2
續(xù)表1
采用NETZSCH TG 209 F3熱重分析儀,在空氣氛、加熱速度20 ℃·min-1、氣體流速20 mL·min-1的條件下,對配合物在30~800℃范圍內(nèi)進(jìn)行了TG測試。
在室溫條件下230~600 nm波長范圍內(nèi)測定配體(L1、L2、Phen)和配合物(C1、C2)的 UV-Vis光譜。溶液濃度為0.1 mmol·L-1,溶劑為甲醇,參比為甲醇。配體L1參考文獻(xiàn)方法[10]合成。
配體(L1、L2、Phen)和配合物(C1、C2)的熒光光譜由日立F-7000分光光度計(jì)測定。溶液濃度為0.1 mmol·L-1,溶劑為甲醇。發(fā)射和激發(fā)的狹縫掃描寬度均為5.0 nm。
根據(jù)配合物晶體結(jié)構(gòu)的原子坐標(biāo),運(yùn)用Gaussian09W程序和B3ylp/mwb,計(jì)算得到配合物分子的前沿分子軌道能量。
采用溶劑熱合成法,在一定溫度與自生壓力下,將反應(yīng)物進(jìn)行自組裝形成最終產(chǎn)物。溶劑熱法具有普通合成方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[11-13],例如,(1)在高溫條件下,反應(yīng)釜內(nèi)溶劑氣化產(chǎn)生自生壓力,使得常溫下一些比較難溶的配體得以溶解,同時(shí)高溫條件使得溶劑黏度下降,有利于物質(zhì)之間的傳遞;(2)溶劑反應(yīng)條件簡單易行、快速高效,條件容易控制,重現(xiàn)性也較好;(3)在該條件下,通過有機(jī)配體的自組裝,可以得到具有意料之外的結(jié)構(gòu)的新穎化合物。在配合物C1中,我們可以看到本是對稱結(jié)構(gòu)的配體分子,但是與UO22+發(fā)生配位時(shí),兩邊羥基卻采取了不同的配位模式,O2與UO22+之間采用的是共價(jià)鍵,而O3與UO22+之間是配位鍵。在配合物C2的合成中,添加甲醇鈉的目的起初是為了使得2,4,5-三氟-3-甲氧基苯甲酸(L2)上的氫離子更容易離去,便于參與UO22+的配位,但是意想不到的是甲醇鈉還提供了一分子的甲氧基參與配位。由此可見,有機(jī)配體的自組裝反應(yīng)確實(shí)可以得到很多結(jié)構(gòu)新穎的化合物分子。
配合物C1、C2的主要鍵長和鍵角數(shù)據(jù)列于表2,分子結(jié)構(gòu)見圖3、4。在配合物C1中,六價(jià)鈾離子處于八配位的十二面體環(huán)境中,UO22+與來自雙酰腙上的2個(gè)氮原子N2、N3和2個(gè)氧原子O2、O3以及醋酸上的2個(gè)氧原子O10、O11形成六角雙錐構(gòu)型,這6個(gè)原子構(gòu)成了六角雙錐的赤道平面,UO22+上的2個(gè)氧原子構(gòu)成雙錐的軸。鈾與赤道平面上的氧原子形成的鍵長分別為U1—O2 0.242 1(4)nm,U1—O3 0.239 0(4)nm,U1—O10 0.249 4(4)nm,U1—O11 0.248 4(4)nm,鈾與氮形成的鍵長分別為U1—N2 0.262 7(5)nm,U1—N3 0.258 3(5)nm,均與文獻(xiàn)[14-16]中報(bào)道的鈾酰配合物中的U—O、U—N鍵長相符合。2個(gè)鈾酰氧原子從軸向與鈾成鍵,其U=O鍵長分別為 0.176 4(4)、0.177 9(4)nm,兩者略有差異,鍵角O=U=O為176.0(2)°,可以近似地認(rèn)為鈾與2個(gè)鈾酰根氧原子在一條直線上。此外,配合物C1中存在豐富的O—H…O氫鍵作用,使得配合物構(gòu)成一維無限鏈狀結(jié)構(gòu),如圖5和表3所示。
表3 配合物C1的氫鍵Table 3 Hydrogen bond of complex C1
圖3 配合物C1的橢球率50%分子結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Molecular structure of complex C1 with 50% probability ellipsoids
圖4 配合物C2的橢球率50%分子結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Molecular structure of complex C2 with 50% probability ellipsoids
圖5 配合物C1的一維鏈狀結(jié)構(gòu)Fig.5 One-dimensional chain structure of complex C1
表2 配合物C1和C2的部分鍵長和鍵角Table 2 Selected bond lengths(nm)and bond angles(°)of complexes C1 and C2
在配合物C2中,Phen作為一個(gè)雙齒配體,分子上的2個(gè)氮原子參與配位,并且甲醇鈉也提供了一分子的甲氧基參與配位,使得六價(jià)鈾離子處于七配位的十面體的配位環(huán)境中。UO22+與來自L2上的2個(gè)氧原子O1、O2和Phen上的2個(gè)氮原子N1、N2以及甲氧基上的1個(gè)氧原子O4形成五角雙錐構(gòu)型。鈾酰根的氧原子作為軸,O1、O2、O4、N1、N2構(gòu)成了五角雙錐的平面。在軸向方向,2個(gè)鈾酰根氧原子從軸的兩側(cè)與鈾成鍵,其U=O鍵長分別為0.179 0(3)、0.180 0(3)nm,鍵 角 O=U=O 為176.0(2)°,與配合物C1中的O=U=O鍵角相等,C2的其他化學(xué)鍵也均與文獻(xiàn)[17-18]報(bào)道的鈾酰配合物一致。此外,在配合物C2中,相鄰分子之間存在π-π堆積作用(圖6),環(huán)心間距為0.349 4 nm,夾角為76.943°,與同類配合物之間的π-π堆積作用強(qiáng)度差異不大[19-20]。
圖6 配合物C2的π-π堆積Fig.6 π-π stacking of complex C2
在配合物C1、C2的紅外譜圖中(圖7、8),分別位于 912、891 cm-1處的強(qiáng)峰和 827、822cm-1處的弱峰歸屬為鈾酰根離子的對稱伸縮振動(dòng)和不對稱伸縮振動(dòng)峰,是鈾酰類配合物的特征峰,這與文獻(xiàn)[21-22]報(bào)道的吸收峰位置一致。配合物C1中位于3 566和3 404 cm-1處的峰分別歸屬為配合物上酚羥基伸縮振動(dòng)吸收峰和仲胺上的N—H伸縮振動(dòng)吸收峰。配合物C1中位于3 154和3 011 cm-1處的峰、C2中位于3 057 cm-1處的峰均歸屬為配合物芳環(huán)上的C—H伸縮振動(dòng)吸收峰,而C1和C2分別位于2 974、2 814 cm-1處和2 914、2 876、2 808 cm-1處的峰歸屬為飽和C—H伸縮振動(dòng)吸收峰。配合物C1、C2中的—COO的不對稱伸縮振動(dòng)和對稱伸縮振動(dòng)吸收峰分別位于1 599、1 449 cm-1和1 587、1 456 cm-1處,二者的差值分別為150、131 cm-1,這說明2個(gè)配合物中的羧酸根是以雙齒形式與金屬離子配位,這與X射線單晶衍射所表征的結(jié)構(gòu)一致。
圖7 配合物C1的紅外譜圖Fig.7 IR spectra of complex C1
圖8 配合物C2的紅外譜圖Fig.8 IR spectra of complex C2
如圖9、10所示,隨溫度的升高,配合物C1、C2均發(fā)生了明顯的失重過程。從失重曲線來看,配合物C1在低于100℃時(shí)就有明顯的失重現(xiàn)象,直到290℃時(shí)曲線出現(xiàn)一小段平臺(tái),這一階段對應(yīng)于配合物C1失去3個(gè)游離的甲醇分子,290℃之后配合物C1的骨架結(jié)構(gòu)才開始出現(xiàn)分解;而配合物C2在220℃左右出現(xiàn)失重,晶體結(jié)構(gòu)解析表明該分子中不存在溶劑分子,推測此處出現(xiàn)的失重為配合物骨架結(jié)構(gòu)分解。配合物C1、C2的失重曲線最終穩(wěn)定在約34.8%(C1)和39.1%(C2),殘余物與UO2的計(jì)算含量34.6%(C1)及39.3%(C2)吻合,說明2個(gè)配合物在升高溫度的過程中均失去所有參與配位的配體。上述熱分析結(jié)果表明配合物C1中含有溶劑分子,但是其骨架結(jié)構(gòu)比配合物C2穩(wěn)定。
圖9 配合物C1的TG和DTG曲線Fig.9 TG and DTG curves of complex C1
圖10 配合物C2的TG和DTG曲線Fig.10 TG and DTG curves of complex C2
如圖11所示,配體L1在254 nm處有一明顯吸收帶,對應(yīng)于配體的π-π*躍遷,配合物C1有2個(gè)吸收帶:在284 nm處有一個(gè)弱的吸收帶,在433 nm處有一個(gè)強(qiáng)的吸收帶。在284 nm處的吸收帶可以認(rèn)為是配體吸收帶紅移導(dǎo)致,仍是配合物中配體部分的π-π*躍遷[23],在433 nm處的強(qiáng)吸收帶可能是由于配體與鈾原子發(fā)生配位作用,形成一個(gè)共軛環(huán),引起配體C=N鍵的極化并影響了相關(guān)共軛分子軌道的能級(jí)所致,而在配合物C2中未發(fā)現(xiàn)這一吸收帶,推測配合物C2中的共軛效應(yīng)沒有C1強(qiáng),X射線單晶衍射測得的結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。配體L2和Phen與配合物C2的吸收帶非常相似,僅有一個(gè)吸收帶,位置也相差不大,推測配合物C2在262 nm處的吸收帶歸屬為配體部分的π-π*躍遷。
圖11 配體和配合物的UV-Vis吸收譜圖Fig.11 UV-Vis absorption spectra of the complexes and the ligands
通過3D熒光掃描得到配合物C1和C2的激發(fā)波長分別為410和310 nm,在此激發(fā)波長下,配合物C1、C2分別在466和382 nm處產(chǎn)生了明顯的發(fā)射峰,如圖12所示。配合物C1、C2能夠產(chǎn)生熒光可以歸因于從配體到金屬離子的電荷轉(zhuǎn)移(LMCT),這也進(jìn)一步表明了醋酸雙氧鈾與配體配位形成配合物,而且從C1、C2的熒光強(qiáng)度來看,顯然配合物C1強(qiáng)于C2,由此推測配合物C1中,U與配體中的N2O2原子配位形成共軛環(huán),增加了分子的共軛度,降低了分子振動(dòng),增加了配合物C1的剛性,導(dǎo)致熒光增強(qiáng)。
圖12 配合物C1和C2的熒光譜圖Fig.12 Fluorescence spectra of complexes C1 and C2
配合物C1和C2的前沿軌道HOMO和LUMO見圖13和14。根據(jù)分子軌道理論,前沿軌道和鄰近分子軌道對于配合物的穩(wěn)定性起著重要作用[24]。對配合物分子軌道進(jìn)行分析可知,HOMO與LUMO之間的能量差距越大,配合物的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性越強(qiáng)。對于配合物C1和C2,其HOMO的能量分別為-0.211 5和-0.234 31 a.u.,而LUMO的能量分別為-0.100 6和-0.097 28 a.u.,2個(gè)軌道之間的能量差ΔE分別為0.110 7和0.137 03 a.u.(3.02和3.73 eV)。這一結(jié)果表明配合物C2的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)于C1,這是由于兩者的配位構(gòu)型與配位環(huán)境不同。
圖13 配合物C1的前沿分子軌道示意圖Fig.13 Schematic diagram of frontier molecular orbital for complex C1
圖14 配合物C2的前沿分子軌道示意圖Fig.14 Schematic diagram of frontier molecular orbital for complex C2
在溶劑熱條件下,通過有機(jī)配體自組裝合成了2個(gè)新的鈾酰配合物C1、C2,結(jié)構(gòu)分析表明,2個(gè)配合物中的U均為+6價(jià),C1通過豐富的O—H…O氫鍵作用形成一維無限鏈狀結(jié)構(gòu),C2中存在π-π堆積作用。熱穩(wěn)定性測試表明,配合物C1中含有溶劑分子,但是其骨架結(jié)構(gòu)比配合物C2穩(wěn)定。UV-Vis光譜表明配合物C1、C2均有較強(qiáng)的吸收帶;熒光光譜表明配合物C1、C2分別在410和310 nm波長的激發(fā)下,在466和382 nm處產(chǎn)生明顯的發(fā)射峰。另外對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算的結(jié)果表明,配合物C2的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性比C1強(qiáng)。
無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)2021年12期