基于N→B配位键构筑的结晶加合物的合成及性能研究

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众所周知,基于客体诱导的主体化合物自组装已经成为了一种可以识别特定客体分子的可靠方法,将分子识别应用于异构体的分离可以降低能源的消耗。一些吸附剂和多孔材料已经被应用于二甲苯的分离研究中,例如沸石和金属有机框架因为其孔道筛分效果被广泛应用,但受到温度和孔道尺寸的限制,大多化合物对对二甲苯有较高吸附选择性。在商业二甲苯中间二甲苯占比最大达到40-65%,难以通过低温结晶,分馏或吸附剂实现分离。因此,探索一种能够通过分子识别作用实现低能耗异构体分离的材料具有重要的意义。由于N→B加合物对芳香烃类分子具有一定识别作用,而且硼酸酯和氮亲核分子之间通过Lewis酸碱配对的相互作用而形成N→B配位键在主客体化学中展示了独特的潜力,它结构中既有配位键又有稳定的硼酸酯平面结构,这一稳定但又可逆的结构特性使得N→B类化合物适合通过超分子自组装的方法捕获和释放客体分子。本文选择具有缺电性B位点的硼酸酯和含有供电N位点的配体合成了一系列的N→B加合物晶体,并探究了其在二甲苯分离中的应用,对N→B加合物晶体的结构和配位性能进行了研究,总结了影响N→B加合物晶体稳定性和配位模式的因素。具体内容如下:采用1,4-对苯二硼酸儿茶酯和1,2-二(4-吡啶基)乙烯以1:1的配位方式合成了一系列对二甲苯异构体具有选择性的N→B加合物晶体FJU-233,FJU-234和FJU-235。在三元混合液中(间二甲苯:邻二甲苯:对二甲苯=1:1:1),N→B加合物分离出的间二甲苯含量为95.2%,邻二甲苯和对二甲苯各为2.4%;在二元混合液中(PX:MX=10:1)可以得到纯相FJU-233,即N→B加合物对间二甲苯表现出高效选择性。N→B加合物的这种选择性趋势在蒸汽相中依然可以保持。不论是在二元还是三元混合体系内,分离实验结束后N→B加合物都更倾向于生成FJU-233,即该材料对于间二甲苯的选择性优于邻二甲苯和对二甲苯。最后对合成的N→B加合物进行了循环性实验,证明N→B加合物可以被循环利用,且能保持选择性和结构稳定性。接着,从以下四个方面展开实验:不同溶剂对其反应性的影响、硼酸酯化合物结构对其稳定性的影响、含氮配体结构对其稳定性的影响以及其他因素的影响,对N→B加合物晶体稳定性和配位模式的影响因素进行研究。合成了两种与1,4-对苯二硼酸儿茶酯(BDBB)结构相似的4,4’-联苯二硼酸儿茶酯(BBDBB)以及1,4-对苯二硼酸七叶亭酯(PBDBC),又合成了两种含氮的吡啶基配体DPBPT和DPPIO。证明了适合N→B加合物晶体生长的溶剂为芳香类溶剂,得到晶体FJU-236,FJU-237,FJU-238,FJU-239和FJU-240。接下来对含氮配体的影响进行了探究,发现随着吡啶基配体体积变大,相应的空间位阻变大进而导致配位形式发生改变,含氮配体DPBPT和硼酸酯BDBB会随着反应时间的增加由不完全配位结构FJU-241变为双配位结构FJU-242。利用同样的方法,对硼酸酯的影响进行了探究,得到相应的N→B加合物晶体FJU-243和FJU-244,发现延长硼酸酯分子后反应性降低。除此之外,还对其他因素的影响进行了研究,发现提高反应温度不利于N→B加合物晶体的稳定存在;提高硼酸酯的浓度在反应速率较慢时更倾向于生成环状结构,反之形成一位链状结构,这一结果为调控N→B加合物晶体的结构、设计合成具有不对称结构的N→B加合物晶体提供了可能性。
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