Способ получения пористого координационного полимера nh2-mil-101(al) и пористый координационный полимер nh2-mil-101(al), полученный этим способом

Способ получения пористого координационного полимера nh2-mil-101(al) и пористый координационный полимер nh2-mil-101(al), полученный этим способом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологии приготовления наночастиц пористых координационных полимеров (РСР), в частности к получению новых композитных металлорганических наноматериалов в условиях СВЧ-активации, а именно к способу получения пористого координационного полимера NH₂-MIL-101(Al) и к пористому координационному полимеру NH₂ ^_MIL-101(Al), полученному этим способом, который может найти применение в качестве носителя для получения различных катализаторов в различных химических процессах, а также в области газоразделения.

Пористые Координационные Полимеры или металлоорганические каркасные структуры (MOF) представляют новый класс кристаллических гибридных нанопористых материалов, структура которых состоит из ионов или кластеров металлов и полидентатных органических лигандов, соединенных ковалентными связями. Патент США №7202385 представляет наиболее полное перечисление структур, описанных в литературе, и прекрасно иллюстрирует многообразие уже существующих в настоящее время материалов.

РСР и MOF характеризуются уникальными структурными и текстурными характеристиками, в т.ч. регулярной кристаллической структурой, высокой удельной поверхностью (до 5900 м²/г) и большим объемом пор, существенно превышающими аналогичные характеристики цеолитов и активированных углей, и используются как высокоэффективные адсорбенты и носители для катализаторов нового поколения [М. Eddaoudi, J. Kim, N. Rosi, D. Vodak, J. Wachter, M. O′Keeffe, О.M. Yaghi // Structural Characterization of Coordination Polymers of Nickel(II) and Zinc(II) with Polycarboxylate Ligands Science, 2002, 295, 469-4724].

В последнее время пористые координационные полимеры привлекают большое внимание в связи с перспективами их широкого использования для сорбции и разделения различных газов, в т.ч. СО₂, а также при хранении водорода [Murray L.J., Dinca М, Long J.R. // Hydrogen storage in metal-organic frameworks // Chem. Soc. Rev. 2009. V. 38, No. 5. P. 1294-1314] и в качестве катализаторов [Lee J., Farha О.K., Roberts J. et al. Metal-organic framework materials as catalysts.// Chem. Soc. Rev. 2009. V. 38, No. 5. P. 1450-1459].

Значительный прогресс достигнут в получении микропористых (с размерами пор менее 2 нм) координационных полимеров. Переход к мезопористым каркасам типа MIL-101 (размер пор более 2 нм) позволяет значительно расширить круг использования пористых сорбентов.

В работе [Sonnauer A., Hoffmann F., Froba М. et al // Giant Pores in a Chromium 2,6-Naphthalenedicarboxylate Open-Framework Structure with MIL-101 Topology // Angewandte Chemie-international Edition. 2009. V. 48, No. 21. P. 3791-3794] авторы провели более 600 синтезов, чтобы подобрать условия для получения мезопористых координационных полимеров Cr-MIL-101 на основе трехвалентного хрома и 2,6-нафталиндикарбоновой кислоты, при этом авторы указывают, что все параметры синтеза: температурный контроль (время нагрева и охлаждения), реагенты, растворитель, кислотность среды играют важную роль.

Важным параметром является время синтеза. Известно [Ferey G., Mellot-Draznieks С., Serre С. et al. // A Chromium Terephthalate-Based Solid with Unusually Large Pore Volumes and Surface Area // Science. 2005. V. 309, No. 5743, P. 2040-2042], что при нагревании при 220°С смеси нитрата хрома и терефталевой кислоты в течение 8-9 часов образуется мезопористый Cr-MIL-101.

Важным параметром является также источник металла, т.е. природа исходной соли. При использовании нитрата алюминия и терефталевой кислоты в качестве связующего для формирования РСР в работе [S Couck, JFM Denayer, GV Baron, T Rémy, J Gascon, F Kapteijn // An Amine-Functionalized MIL-53 MOF with Large Separation Power for CO₂ and CH₄ // J. Am.Chem.Soc. 2009, 131 (18), 6326-6327] авторы пытались синтезировать чистую фазу MIL-101(Al). Однако во всех попытках формировалась структура MIL-53(Al).

В литературе описан способ получения металл-органического координационного полимера NH₂-MIL-101(Al) [P. Serra-Crespo, Е.V. Ramos-Fernandez, J. Gascon, F. Kapteijn // Tandem catalysis with bifunctional site-isolated Lewis acid-Brønsted base metal-organic framework, NH₂-MIL-101(Al) // Chem. Mater. 2011, No. 23, P. 2565-2572], который был получен по традиционной методике в сольвотермальных условиях. Для этого AlCl₃×6H₂O (0,51 г, 0,0021 ммоль) и 2-аминотерефталевую кислоту (0,56 г, 0,0031 ммоль) растворяли в 40 мл ДМФА в тефлоновом стакане (объем 60 мл), который переносили в стальной автоклав. Автоклав с реакционной смесью выдерживали при 130°С в течение 72 ч. Образовавшийся желтый кристаллический осадок выделяли на центрифуге, промывали на фильтре ДМФА (3 раза по 10 мл) и затем выдерживали в ДМФА при перемешивании 24 ч. Далее кипятили в метаноле (20 мл) при перемешивании (24 ч). Выделяли вещество на центрифуге и сушили конечный продукт NH₂-MIL-101(Al) в вакууме (7 часов, 60°С, 10^-2 Торр). В ходе синтеза образуется РСР с большим размером кристаллитов (в микрометровом диапазоне) с преобладанием микропор.

В настоящее время появились новые подходы для приготовления наноразмерных РСР. Они основаны на способах, инициирующих контролируемое осаждение металл-органических координационных полимеров (СВЧ-активация реакционной массы, применение ультразвука, специфические термические условия и т.д). Изначально микроволновой синтез использовали для получения цеолитов, когда требуется уменьшить время и/или температуру реакции и при этом увеличить чистоту получаемого продукта, при этом реакция проводится в водных средах (водя является хорошим поглотителем СВЧ-излучения) [Hwang Y.К., Chang J.-S., Park S.-E., Kim D.S., Kwon Y.-U., Jhung S.H., Hwang J.-S., Park M.S. // Microwave fabrication of mfi zeolite crystals with a fibrous morphology and their applications // Angewandte Chemie International Edition. 2005. V. 44, №4. P. 556-560]. В последнее время микроволновой синтез широко применяется для синтеза MOF в неводных растворителях.

Основными преимуществами данного метода являются высокая скорость реакции, хороший выход и селективность, а также возможность контролировать размер и качество кристаллов.

Высокая скорость реакции микроволнового синтеза объясняется большим числом образующихся в ходе процесса заряженных частиц [Choi J.-S., Son W.-J., Kim J., Ahn W.-S. // Metal-organic framework MOF-5 prepared by microwave heating: Factors to be considered // Microporous and Mesoporous Materials. 2008. V. 116, №1-3. P. 727-731]. За короткий промежуток времени образуются кристаллы полимера с относительно узким распределением пор (±20%). Кроме этого, размер самих частиц РСР, образующихся в этих условиях, меньше по сравнению с традиционными методами.

Так известен способ получения пористого координационного полимера Cr-MIL-101 [Jhung S.Н., Lee J.H., Yoon J.W. et al. // Microwave synthesis of chromium terephthalate MIL-101 and its benzene sorption ability // Advanced Materials. 2007. V. 19, No. 1. P. 121-124] под действием СВЧ- излучения. Процесс протекает в течение 40 минут при температуре 220°С. Полученный Cr-MIL-101 по своим характеристикам (площадь поверхности, рентгеновская дифракция и др.) практически не отличается от Cr-MIL-101, получаемого традиционным способом в сольвотермальных условиях при 220°С в течение около 10 часов.

Известен также способ получения пористого координационного полимера MIL-101(Fe) [Taylor-Pashow K.М.L., Rocca J.D., Xie Z. et al. // Postsynthetic Modifications of Iron-Carboxylate Nanoscale Metal-Organic Frameworks for Imaging and Drug Delivery // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131, No. 40. P. 14261-14263], который является структурным аналогом Cr-MIL-101. Координационный полимер MIL-101(Fe) с удельной поверхностью 3700-4535 м²/г и размером кристаллитов около 200 нм был получен с выходом всего около 20% при нагревании раствора FeCl₃ с терефталевой кислотой в ДМФА при 150°С помощью микроволнового излучения.

Однако известные из литературы примеры способов получения наноразмерных РСР под воздействием СВЧ-излучения ограничены сольвотермальным методом, при этом синтез проводится с применением автогенного давления, при температурах, как правило, свыше 150-200°С.

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ получения пористого координационного полимера NH₂-MIL-101(Al), описанный в статье [P. Serra-Crespo, Е.V. Ramos-Fernandez, J. Gascon, F. Kapteijn // Synthesis and Characterization of an Amino Functionalized MIL-101(Al): Separation and Catalytic Properties // Chem. Mater. 2011, 23, 2565-2572], в котором исходные реагенты - AlCl₃×6H₂O (0,51 г) и 2-амино-1,4-бензолдикарбоновую кислоту (0.56 г) растворяли в 30 мл диметилформамида (ДМФА) нагревали в СВЧ-печи (Mars-5, СЕМ, минимальная мощность 300 Ватт) при 130°С в течение 6 часов и получали продукт с выходом 45%. Процесс проводили в автоклаве при повышенном автогенном давлении. Кристаллический осадок выделяли фильтрованием на водоструйном насосе, промывали ацетоном (3 раза по 10 мл), кипятили в метаноле для удаления органических примесей из пор продукта - NH₂-MIL-101(Al) и сушили на воздухе при 150°С в течение 2 часов. В ходе синтеза образуется РСР с размером кристаллитов в нанометровом диапазоне, однако в его пористой структуре преобладают микропоры, что делает ограниченным его применение, например, в качестве сорбента.

Недостатком заявленного способа является недостаточно высокий выход целевого продукта (45%), длительное время синтеза кристаллов РСР (6 часов), сложное аппаратурное оформление, поскольку синтез ведут в автоклаве при повышенном автогенном давлении, а также необходимость дополнительной очистки пористой структуры РСР путем кипячения в растворителях типа метанола или ацетона.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения пористого координационного полимера NH₂-MIL-101(Al), позволяющего увеличить выход целевого продукта, упростить технологию его получения, а также получить целевой продукт с преобладанием в его пористой структуре мезопор.

Для достижения поставленной задачи предложен способ получения пористого координационного полимера NH₂-MIL-101(Al) путем смешения соли алюминия формулы AlCl₃×6H₂O и органической кислоты - 2-амино-1,4-бензолдикарбоновой кислоты - в присутствии растворителя с последующим нагреванием полученной реакционной смеси под воздействием СВЧ-излучения и выделением целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют смесь воды и полярного органического растворителя, взятых при массовом соотношении 1:1-5, и процесс проводят при атмосферном давлении и температуре 120-130°С, а нагрев реакционной смеси осуществляют под воздействием СВЧ-излучения мощностью до 200 Ватт.

В качестве полярного органического растворителя используют растворитель с температурой кипения выше 130°С, способного эффективно нагреваться в условиях СВЧ-излучения, например диметилсульфоксид (ДМСО), N,N′-диметилформамид (ДМФА).

Длительность процесса получения кристаллического NH₂-MIL-101(Al) составляет 2-20 минут.

Целевой продукт в виде кристаллического осадка NH₂-MIL-101(Al) отделяют центрифугированием или фильтрацией, далее промывают на фильтре ацетоном (3 раза по 10 мл), кипятят в МеОН (12 ч) и сушат (активируют) в вакууме (10^-3 Hg) при 130°С в течение 8 часов. Выход целевого продукта составляет 72% в расчете на 2-аминобензолдикарбоновую кислоту (H₂ABDC), введенную в синтез.

Процесс проводят без использования автоклавного оборудования при атмосферном давлении в смешанном растворителе (смесь воды и полярного органического растворителя типа ДМФА) при температуре 120-130°С и массовом соотношении вода : органический растворитель, равном 1:1-5, при этом нагрев реакционной массы проводят под воздействием СВЧ-излучения меньшей мощности. Для получения чистого продукта - NH₂-MIL-101(Al) не требуется дополнительная очистка его пористой структуры с использованием стадий кипячения в органических растворителях.

Выбор смешанного растворителя (смесь воды и ДМФА или другого полярного органического растворителя) в условиях СВЧ-активации играет решающую роль в быстром формировании нанокристаллитов NH₂-MIL-101(Al), а также приводит к получению целевого продукта с меньшим содержанием органических и неорганических примесей.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1.

В стеклянную ампулу (реактор) диаметром 4 см и высотой 30 см загружают 0,44 г AlCl₃×6H₂O, 0,49 г 2-амино-1,4-бензолдикарбоновой кислоты, 5 г воды и 25 г ДМФА. Синтез проводят при атмосферном давлении. Реактор в вертикальном положении помещают в отверстие в камере бытовой СВЧ-печи "Vigor" и нагревают реакционную массу при мощности СВЧ-излучения 200 Ватт в течение 2 минут до температуры 120°С. Холодные стенки реактора (вне камеры СВЧ-печи) выполняют роль обратного холодильника для конденсации паров. Температуру реакционной массы контролируют с помощью термопары, помещенной в стеклянном кармане непосредственно в реактор. СВЧ-печь "Vigor" при мощности 200 Ватт позволяет нагреть реакционную массу до температуры кипения растворителей. Регулирование температуры проводят путем плавного частичного погружения нижней части реактора в камеру СВЧ-печи. Пример температурного профиля в ходе СВЧ-нагрева реакционной массы по примеру 1 представлен на Фиг. 1 (включение СВЧ-нагрева после 1,5 минуты).

Полученный кристаллический осадок NH₂-MIL-101(Al) отделяют центрифугированием, промывают на фильтре ацетоном (3 раза по 10 мл), кипятят в МеОН (12 ч) и сушат (активируют) в вакууме (10^-3 Hg) при 130°С в течение 8 часов. Выход целевого продукта составляет 72% в расчете на 2-аминобензолдикарбоновую кислоту (H₂ABDC), введенную в синтез.

Пример 2.

Аналогично примеру 1 получают целевой продукт NH₂-MIL-101(Al), но длительность процесса составляет 20 минут, а массовое соотношение вода : ДМФА составляет 1:1 (условия проведения процесса и выход представлены в таблице).

Пример 3.

Аналогично примеру 1 получают целевой продукт NH₂-MIL-101(Al), но вместо ДМФА используют ДМСО и массовое соотношение вода : ДМСО составляет 1:2 (условия проведения процесса и выход представлены в таблице).

Пример 4. (Сравнительный).

Аналогично примеру 1 получают NH₂-MIL-101(Al), но вместо смешанного растворителя используют чистый растворитель - ДМФА (условия проведения процесса и выход представлены в таблице).

Пример 5. (Сравнительный).

Аналогично примеру 1 получают NH₂-MIL-101(Al), но вместо смешанного растворителя используют чистый растворитель - ДМСО (условия проведения процесса и выход представлены в таблице).

В таблице представлены примеры осуществления предлагаемого способа, а также сравнительные примеры 4 и 5 получения NH₂-MIL-101(Al).

Сравнение результатов по предлагаемому в настоящем изобретении способу (примеры 1-3) получения координационного полимера NH₂-MIL-101(Al), с одной стороны, и сравнительных примеров 4 и 5 показывает, что с использованием в предлагаемом способе смешанного растворителя под воздействием СВЧ-нагрева до температур 120-130°С в течение 2-20 минут при атмосферном давлении с высоким выходом (57-72%) образуются кристаллиты NH₂-MIL-101(Al). Проведение синтеза в чистых органических растворителях при более высоких температурах (в ДМФА и ДМСО при 153 и 189°С, соответственно) без добавления к ним воды в течение 2 часов в условиях СВЧ-активации приводит к существенно более низкому выходу NH₂-MIL-101(Al) (34 и 26%, по примерам №4 и 5, соответственно). Следует отметить, что в примерах по изобретению мощность СВЧ-излучения составляет 200 Ватт, а не 300 Ватт, как в прототипе.

Предложен также пористый координационный полимер NH₂-MIL-101(Al), полученный по предлагаемому способу, в качестве носителя для катализаторов.

Методом БЭТ установлено, что пористая структура получаемых по примерам 1-3 образцов РСР неоднородна - средний диаметр полостей составляет 2,9 и 3,4 нм при наличии "окон" диаметром 1,4 и 1,6 нм, что свидетельствует об образовании мезопористых структур. Это свойство получаемого продукта может быть интересно в приложении использования таких структур как сорбентов.

Методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) было установлено также, что полученные по настоящему способу (по примерам 1-3) образцы мезопористого NH₂-MIL-101(Al) имеют кристаллиты в форме призм с размером в нанодиапазоне (50-200 нм), в то время как для образцов, полученных по сравнительным примерам №4 и 5, размер микрокристаллитов неправильной формы составляет 2-3 мкм.

На Фиг. 2 представлены фотографии СЭМ NH₂-MIL-101(Al), полученных в условиях СВЧ-активации реакционной массы по примеру 1 (А) и по сравнительному примеру 4 (Б).

Рентгенограмма образца, полученного по примеру 1, и теоретическая рентгенограмма, рассчитанная на основании структурных данных для NH₂-MIL-101(Al), представлены на Фиг. 3 (кривая А - экспериментальный образец, полученный по примеру 1, и кривая Б - рассчитана на основании структурных данных). Сравнение рентгенограмм указывает на более высокую долю свободного внутрикристаллического объема (мезопор) в образце, полученном по предлагаемому в настоящем изобретении способу с использованием смешанного растворителя (в присутствии добавок воды к полярным органическим растворителям - ДМФА или ДМСО). Вероятно добавление воды - дополнительного растворителя, молекула которого имеет малый газокинетический размер, в условиях СВЧ активированного синтеза способствует более полному удалению органических и неорганических примесей из пор продукта - NH₂-MIL-101(Al), что и приводит к образованию более химически чистого продукта, повышает долю свободного объема пор, при этом отпадает необходимость в дополнительной очистке в ходе последующего кипячения в растворителях (метанол), что также упрощает способ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является существенное повышение выхода целевого продукта до 57-72%, вместо 45% в прототипе, сокращение времени проведения процесса до 2-20 мин (вместо 6 часов в прототипе) и отказ от применения автогенного давления.

Совокупность предлагаемых признаков изобретения позволила получить достаточно чистый продукт NH₂-MIL-101(Al) с преобладанием в его пористой структуре мезопор, имеющих повышенную степень кристалличности и фазовой чистоты. Образцы NH₂-MIL-101(Al), обладающие такими свойствами, в дальнейшем могут найти применение при создании нового класса носителей для катализаторов в тонком органическом синтезе, а также в области газоразделения.

Пористый наноразмерный координационный полимер NH₂-MIL-101(Al), полученный по предлагаемому способу, был испытан в качестве матриц для закрепления в катализаторах наночастиц таких металлов, как Pd, Pt, Au.

Как пример, мезопористый наноразмерный координационный полимер NH₂-MIL-101(Al), полученный в настоящем способе, был использован в качестве носителя для приготовления катализатора гидроаминирования.

Пример 6.

Приготовление и испытание катализатора гидроаминирования.

Катализатор готовили пропиткой по влагоемкости порошка РСР, полученного по примеру 1, раствором HAuCl₄×3Н₂О с последующей сушкой при 90°С в течение 5 часов и восстанавливали в вакууме (10^-5 Торр, 100°С, 4 часа). Содержание золота в образце составило 1% масс. Реакцию гидроаминирования фенилацетилена анилином проводили в статическом реакторе при интенсивном перемешивании и температуре 110°С в смеси: 0,1 г катализатора, 0,1 г фенилацетилена, 0,09 г анилина, 0,07 г ундекана (как эталон для хроматографии) в толуоле (3 мл).

На основе мезопористого координационного полимера NH₂-MIL-101(Al), полученного по предлагаемому способу, в примере 6 был приготовлен нанесенный золотосодержащий катализатор - 1% Au/NH₂MIL-101(Al) и испытан в реакции гидроаминирования фенилацетилена анилином. Было установлено, что такой катализатор обеспечивает выход продуктов гидроаминирования, близкий к 100%, всего за 3 часа проведения реакции. Как сравнительный, можно привести пример из работы [V. Isaeva, Е. Belyaeva, О. Tkachenko, S. Alimov, L. Kustov // Preparation of gold-containing based on mesoporous metal-frameworks (MIL) for regioselective phenylacetylene hydroamination // PREPA 11 - July 6-10, 2014], в котором подобный катализатор на основе РСР, полученного традиционным гидротермальным способом, в условиях примера 6 за более длительное время (4-12 часов) обеспечивает лишь 95-99% выход продуктов.

По-видимому, такой рост каталитической активности обусловлен большей доступностью активных центров реакции гидроаминирования (частиц металлического Au), расположенных в мезопорах получаемого по настоящему способу РСР, для диффузии крупных молекул фенилацетилена.

1. Способ получения пористого координационного полимера NH₂-MIL-101(Al) путем смешения соли алюминия формулы AlCl₃×6H₂O и органической кислоты - 2-амино-1,4-бензолдикарбоновой кислоты в присутствии растворителя, с последующим нагреванием полученной реакционной смеси под воздействием СВЧ-излучения и выделением целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют смесь воды и полярного органического растворителя, взятых при массовом соотношении 1:1-5, соответственно, и процесс проводят при атмосферном давлении и температуре 120-130°C, а нагрев реакционной смеси осуществляют под воздействием СВЧ-излучения мощностью до 200 Ватт.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полярного органического растворителя используют растворитель с температурой кипения выше 130°C, например диметилсульфоксид, N,N′-диметилформамид.

3. Пористый координационный полимер NH₂-MIL-101(Al), полученный по пп. 1, 2, в качестве носителя для катализаторов.