8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯鐿配合物的合成、結(jié)構(gòu)和近紅外性質(zhì)

段芳正，劉凌志，喬春玉，楊慧敏，陳 鵬

(黑龍江工程學院 材料與化學工程學院，哈爾濱 150050)

8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯鐿配合物的合成、結(jié)構(gòu)和近紅外性質(zhì)

段芳正，劉凌志，喬春玉，楊慧敏，陳 鵬

(黑龍江工程學院 材料與化學工程學院，哈爾濱 150050)

通過配體2-醛基-8-羥基喹啉與Yb(ClO4)·6H2O反應，得到8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯鐿配合物，配體中醛基在甲醇、乙腈溶液中轉(zhuǎn)化為甲酯基，轉(zhuǎn)化后的甲酯基與鐿離子配位。配合物為零維單核結(jié)構(gòu)，3個配體對鐿離子形成包裹型配合物，并表現(xiàn)出鐿離子的近紅外熒光性質(zhì)，固態(tài)下的熒光壽命為12.01 μs，甲醇溶液中的熒光壽命為10.07 μs。

2-醛基-8-羥基喹啉；鐿配合物；近紅外

0 引 言

多齒配體構(gòu)建的稀土配合物因具有獨特的發(fā)光和磁學性質(zhì)被廣泛的研究[1-5]。近年來，稀土離子的近紅外發(fā)光(尤其是Nd3+和Yb3+)具有特征發(fā)射峰尖銳、光穩(wěn)定性好等特點在醫(yī)療檢測、軍事偵察、非線性光學材料等領(lǐng)域擁有潛在的應用價值[6-8]。然而稀土離子4f層電子軌道屏蔽效應阻止了稀土離子的直接激發(fā)態(tài)。為了提高中心稀土離子的發(fā)光效率，選擇適當?shù)拿艋瘎⑽盏哪芰總鬟f給稀土離子[9-11]。設(shè)計發(fā)光稀土配合物的挑戰(zhàn)之一是避免高能振動使稀土離子的激發(fā)態(tài)發(fā)生猝滅。因此，設(shè)計和合成具有天線效應的多齒配體是稀土配合物具有更好發(fā)光行為的前提。自首例8-羥基喹啉鋁的電致發(fā)光被報道以來，8-羥基喹啉系列配體因其具有極好的配位性，一直作為金屬離子的明星配體[12-13]。尤其是最近報道的2-醛基-8-羥基喹啉有效敏化鐿離子因而表現(xiàn)出較好的近紅外光致發(fā)光性質(zhì)[14-17]。本課題組曾報道過一系列分別由2-(2′-羥苯基)苯并咪唑和類Salen配位的釹離子、鐿離子配合物[18-22]。本文選用2-醛基-8-羥基喹啉制備鐿配合物，通過實驗發(fā)現(xiàn)配體中的醛基轉(zhuǎn)化為甲酯基，合成了(8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯)鐿配合物，進一步研究發(fā)現(xiàn)該配合物具有良好的近紅外發(fā)光性質(zhì)。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

2-甲基-8-羥基喹啉、甲醇、乙腈、乙醚、高氯酸均為分析純試劑；三氧化二鐿(99.99%)。Avance Ⅲ 400型核磁共振儀(美國Bruker公司)；Perkin-Elmer 2400型元素分析儀(德國Elementar公司)；Spectrum 100型傅里葉變換紅外光譜儀(美國Perkin-Elmer公司)；FLS 920型熒光光譜儀(英國愛丁堡公司)；Himadzu UV2240紫外可見分光光度儀用于紫外光譜測試(MeOH，200～500 nm)。

六水高氯酸鐿的制備：稱取三氧化二鐿10 g(0.025 mol)和3 g高氯酸至于圓底燒瓶中，向其中加入150 mL蒸餾水，加熱回流并攪拌至三氧化二鐿完全溶解制成高氯酸鐿的溶液。將溶液倒入蒸發(fā)皿中，加熱蒸發(fā)，期間多次補加蒸餾水直至溶液的pH值接近中性，濃縮結(jié)晶。

1.2 實驗方法

1.2.1 2-醛基-8-羥基喹啉的合成

配體2-醛基-8-羥基喹啉的合成參照文獻[23],合成路線見圖1。稱取SeO25.5 g于500 mL圓底燒瓶中，加入二氧六環(huán)200 mL；稱6.4 g 2-甲基-8-羥基喹啉溶于30 mL二氧六環(huán)中，不斷攪拌待其完全溶解倒入恒壓滴液漏斗中逐滴加入500 mL圓底燒瓶中，待滴加完畢，回流12 h。熱過濾后將濾液濃縮至黑色油狀濃縮液，用二氯甲烷沖洗3次，倒入250 mL燒杯中用少量硅膠分散。用二氯甲烷作洗脫劑進行柱層析，TLC點板監(jiān)控，將產(chǎn)物濃縮、二氯甲烷重結(jié)晶得到黃色結(jié)晶狀固體，產(chǎn)率65%。元素分析C10H7NO2(173.17)：理論值/%：C，69.36；H，4.07；N，8.09。實測值/%：C，69.35；H，4.05；N，8.08。1H-NMR(400 MHz，DMSO)，δ：7.92～7.98(q，3H)，7.54～7.57(m，1H)，8.51～8.53(m，1H)，10.19(s，1H)，11.21(s，1H)；IR(KBr)，σ/cm-1：3 466 (s)，3 120 (s)，2 928 (s)，1 705 (m)，1 463 (m)，1 161 (m)，949 (s)，861 (s)，547 (m)。UV(CH3OH)：λmax/nm：264。2-醛基-8-羥基喹啉的合成見圖 1。

圖1 2-醛基-8-羥基喹啉的合成路線Fig.1 Synthetic route of 2-aldehyde-8-hydroxyquinoline

1.2.2 8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯鐿配合物的制備

將ahq(0.017 g，0.1 mmol)和Yb(ClO4)3-6H2O(0.058 g，0.1 mmol)溶于3 mL甲醇和5 mL乙腈溶劑中室溫攪拌10 h。用乙醚對其進行溶劑擴散，室溫下至于黑暗處靜置6 d。期間8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯(L)自發(fā)生成。元素分析C36.5H42.5N3O13.5Yb(912.28)理論值/%：C，48.05；H，4.70；N，4.61。實測值/%：C，48.06；H，4.70；N，8.08，產(chǎn)率76%。紅外光譜(KBr)，σ/cm-1：3 035(m)，2 935(s)，2 869(s)，1 580(s)，1 508(m)，1 380(s)，1 331(m)，1 100(s)，1 013(s)，855(s)。紫外光譜[MeOH，λmax]：218，261 nm。

1.2.3 配合物1晶體結(jié)構(gòu)的測定

單晶數(shù)據(jù)用Siemens SMART APEX CCD衍射儀測定，石墨單色器單色化的鉬鈀Mo-Kα射線(λ=0.710 73 ?)為輻射源，在室溫下采用ω掃描方式收集數(shù)據(jù)。單晶衍射數(shù)據(jù)在SAINT程序上還原，結(jié)構(gòu)用直接法SHELXTL-97程序解析。由于所處空間群對稱性的原因，配合物于兩個可能的位置無序排列，在精修的過程中占有率分別限定為0.5。數(shù)據(jù)的不收斂可能是由配合物的無序引起的。同時由于對稱性的原因，游離的水分子的氫原子沒有從殘峰中找到，并且未進行理論加氫。配合物主要的晶體學數(shù)據(jù)見表1，主要鍵長和鍵角見表2。

CCDC：1052070

表1 配合物1晶體學數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)精修參數(shù)

Table 1 Crystal data and structural refinement parameters for complex 1

IdentificationComplex1EmpiricalformulaC36.5H42.5N3O13.5YbFormulaweight912.28a(?)12.3502(3)b(?)12.3502(3)c(?)30.7696(8)α90β(°)90γ120Volume(?3)4064.44(18)Z4Rint0.0573GOFofF21.215FinalRindices[I>2σ(I)]R1=0.0950wR2=0.2549Rindices(alldata)R1=0.1023wR2=0.2590GOF1.215

表2 配合物1的主要鍵長(?)和鍵角(°)

Symmetry transformations used to generate equivalent atoms：#1 -x+y,-x+1,z；#2 -y+1,x-y+1,z.

2 結(jié)果與討論

2.1 配合物1的晶體結(jié)構(gòu)描述

X-射線單晶衍射分析表明配合物1由一個Yb3+和三個8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯離子組成，其分子式為YbL3·3CH3OH·1.5H2O。最小不對稱結(jié)構(gòu)單元中只含有一個晶體學獨立的Yb3+離子。該Yb3+離子是9配位的，分別與3個氮原子和3個酚羥基氧原子和羰基氧原子配位形成三帽三棱柱構(gòu)型(圖2)。Yb-O鍵的范圍是2.381(16)-2.422(10)?，而酚羥基的氧原子比羰基氧原子的Yb-O鍵更短。Yb-N鍵的的距離相對更長一些(2.49(2)?)。結(jié)構(gòu)中分子采取二聚的方式存在，兩個相鄰的YbL3之間有強烈的π-π相互作用。芳環(huán)間π-π相互作用的距離為3.368 ?，相鄰的晶體學等價的Yb3+離子之間的距離只有5.406 ?(圖3)。甲醇分子和水分子在YbL3之間起到了填充作用。

圖2 (a)配合物1的晶體結(jié)構(gòu)(為了清晰移去氫原子)；(b)配合物1的配位構(gòu)型圖Fig.2 (a) Partially labeled crystal structure of complex 1 (Hydrogen atoms have been omitted for clarity)；(b) Coordination geometry for complex 1

2.2 配合物1的合成討論

作為重要的有機、醫(yī)藥原料酯類化合物無疑具有深遠的重要性。傳統(tǒng)上酯類是由羧酸和醇縮合而成的。近年來人們發(fā)現(xiàn)可以把醛類通過氧化法與醇類反應直接生成酯類，并且這類方法逐漸成為研究熱點[24-25]。筆者認為配體8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯的合成是2-醛基-8羥基喹啉在微酸性條件和空氣中氧的作用下與甲醇發(fā)生縮合所致(圖4)。體系的pH值對最終產(chǎn)物有顯著的影響。如果在體系中加入適量伯胺調(diào)節(jié)pH>7可得Schiff堿稀土配合物，而加入仲胺和叔胺則會產(chǎn)生無定形的沉淀。

圖3 配合物1的π-π相互作用Fig.3 π-π interactions in complex 1

圖4 8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯的形成機理Fig.4 Formation of methyl 8-hydroxyquinoline-2-carboxylate

2.3 配合物1的近紅外性質(zhì)分析

配合物1在固體和甲醇溶液中的發(fā)射光譜顯示出鐿離子在950～1 050 nm的近紅外特征發(fā)射峰的峰位置和峰形與標準鐿離子的近紅外發(fā)射峰幾乎完全相同(圖5)。但配合物1中鐿離子的發(fā)射峰不是尖銳的單峰而是在主峰1 006 nm前方980 nm處出現(xiàn)小的包峰，此峰的出現(xiàn)是由于晶體場在激發(fā)或發(fā)射過程中配體場效應影響的結(jié)果。配合物1在甲醇溶液中的近紅外發(fā)光壽命為二級壽命，τ1=3.42 μs，τ2=10.07μs。配合物1在甲醇溶液中鐿離子的熒光量子效率通過ΦYb=τobs/τ0計算為ΦYb=0.504%(τobs是測得配合物1的發(fā)射壽命，τ0為鐿離子的自然壽命2.0 ms)。而配合物1的固態(tài)近紅外發(fā)光壽命比甲醇溶液更長，分別為τ1=8.89 μs，τ2=12.01 μs，熒光量子效率為ΦYb=0.601%。更高的熒光量子效率可能是由于被3個2-甲酯-8-羥基喹啉完全包裹形成9配位的鐿離子，避免客體分子中高能振子如C—H和O—H鍵猝滅鐿離子的激發(fā)態(tài)。此外，2-甲酯-8-羥基喹啉的三線態(tài)能級(～23 697 cm-1)允許能量不可逆地傳遞給低能級(2F5/2，10 000 cm-1)，能作為高效的天線敏化鐿離子。

圖5 配合物1的固體和甲醇溶液中的近紅外發(fā)光性質(zhì)Fig.5 NIR luminescence of complex 1 in solid and CH3OH solution

3 結(jié) 論

2-醛基-8-羥基喹啉在甲醇、乙腈溶液中轉(zhuǎn)化為8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯與Yb(ClO4)3·6H2O反應，合成了由3個8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯配位的單核稀土配合物。3個8-羥基喹啉-2-甲酸甲酯與鐿離子配位形成包裹型結(jié)構(gòu)，從而避免溶劑分子對配合物的發(fā)光產(chǎn)生猝滅作用。配合物在固態(tài)和甲醇溶液中都表現(xiàn)出了Yb3+離子的特征近紅外信號。

[1]Elixeeva S V，Bünzli J C G.Lanthanide luminescence for functional materials and bio-sciences[J].Chem.Soc.Rev.，2010，39：189-227.

[2]Allendorf M D，Bauer C A，Bhakta R K，et al.Luminescent metalorganic frameworks[J].Chem.Soc.Rev.，2009，38：1 330-1 352.

[3]Guo Y，Xu G，Wernsdorfer W，et al.Strong axiality and ising exchange interaction suppress zero-field tunneling of magnetization of an asymmetric Dy2single-molecule magnet[J].J.Am.Chem.Soc.，2011，133：11 948-11 951.

[4]Woodruff D N，Winpenny R E P，Layfield R A.Lanthanide single-molecule magnets[J].Chem.Rev.，2013，113：5 110-5 148.

[5]Guo Y，Xu G，Gamez P，et al.Two-step relaxation in a linear tetranuclear dysprosium aggregate showing single-molecule magnet behavior[J].J.Am.Chem.Soc.，2010，132：8 538-8 539.

[6]Feng W，Hui Y，Wei T，et al.Anion induced near-infrared (NIR) luminescent Zn2Nd and ZnNd complexes based on the pure salen-type schiff-base ligand[J].Inorg.Chem.Commun.，2011，14：75-78.

[7]Artizzu F，Quochi F，Saba M，et al.Dual emitting[Yb(5,7ClQ)2(H5,7ClQ)2Cl]：chemical and photophysical properties[J].ChemPlusChem，2012，77：240-248.

[8]Yang X，Oye M M，Jones R A，et al.Anion dependent self-assembly of a linear hexanuclear Yb(III) salen complex with enhanced near-infrared (NIR) luminescence properties[J].Chem.Commun.，2013，49：9 579-9 581.

[9]Shirotani D，Sato H，Yamanarib K，et al.Electronic circular dichroism in the 4f-4f transitions of a series of cesium tetrakis (+)-3-heptafluorobutyryl-camphorate Ln(III) complexes[J].Dalton Trans.，2012，41：10 557-10 567.

[10]Kai J，F(xiàn)elinto M C F C，Nunes L A O，et al.Intermolecular energy transfer and photostability of luminescence-tuneable multicolour PMMA films doped with lanthanide-β-diketonate complexes[J].J.Mater.Chem.，2011，21：3 796-3 802.

[11]Feng J，Zhang H.Hybrid materials based on lanthanide organic complexes：a review[J].Chem.Soc.Rev.，2013，42：387-410.

[12]Tang C W，Van Slyke S A.Two-layer organic photovoltaic cell[J].Appl.Phys.Lett.，1987，51：913-915.

[13]Liao S H，Shiu J R，Liu S W，et al.Hydroxynaphthyridine-derived group III metal chelates：wide band gap and deep blue analogues of green Alq3(tris(8-hydroxyquinolate)aluminum) and their versatile applications for organic light-emitting diodes[J].J.Am.Chem.Soc.，2009，131：763-777.

[14]Albrecht M，Osetska O，Klankermayer J，et al.Enhancement of near-IR emission by bromine substitution in lanthanide complexes with 2-carboxamide-8-hydroxyquinoline[J].Chem.Commun.，2007，(18):1 834-1 836.

[15]Rizzo F，Meinardi F，Tubino R，et al.Synthesis of 8-hydroxyquinoline functionalised DO3A ligand and Eu(III) and Er(III) complexes：luminescence properties[J].Synth.Met.，2009，159：356-360.

[16]Huang W，Wu D，Guo D，et al.Efficient near-infrared emission of a ytterbium(III) compound with a green light rhodamine donor[J].Dalton Trans.，2009，(12):2 081-2 084.

[17]Shavaleev N M，Scopelliti R，Gumy F，et al.Near-Infrared luminescence of nine-coordinate neodymium complexes with benzimidazole-substituted 8-hydroxyquinolines[J].Inorg.Chem.，2008，47：9 055-9 068.

[18]Chen P，Li Q，Chen S，et al.NIR luminescence of 2-(2′-hydroxyphenyl)benzimidazole lanthanide (Ln=Nd and Yb) complexes[J].Inorg.Chem.Commun.，2012，17：17-20.

[19]Gao T，Xu L，Zhang Q，et al.Salen-type heteronuclear 3d-4f complexes engineering by anion PF6with near-infrared (NIR) and luminescent properties[J].Inorg.Chem.Commun.，2012，26：60-63.

[20]Yan P，Chen S，Chen P，et al.Novel quadridentate salen type triple-decker sandwich ytterbium complexes with near infrared luminescence[J].CrystEngComm，2011，13：36-39.

[21]Chen P，Chen H，Yan P，et al.Effect of lanthanide contraction and rigid ligand on the structure of salen-type lanthanide complexes[J].CrystEngComm，2011，13：6 237-6 242.

[22]鄒曉艷,閆鵬飛,劉添淇,等.1,3-丙二胺縮鄰香蘭素同三核氯化稀土配合物的合成和晶體結(jié)構(gòu)[J].黑龍江大學工程學報,2013,4(3):29-34.

[23]Hassani M，Cai W，Holley D C，et al.Novel lavendamycin analogues as antitumor agents：synthesis，in vitro cytotoxicity，structure-metabolism，and computational molecular modeling studies with NAD(P)H:quinone Oxidoreductase 1[J].J.Med.Chem.，2005，48：7 733-7 749.

[24]Tank R，Pathak U，Vimal M，et al.Hydrogen peroxide mediated efficient amidation and esterification of aldehydes：Scope and selectivity[J].Green Chem.，2011，13:3 350-3 354.

[25]Wu X.Zinc-catalyzed oxidative esterification of aromatic aldehydes[J].Tetrahedron Lett.，2012,53:3 397-3 399.

Synthesis，structure and NIR luminescence of methyl 8-hydroxyquinoline-2-carboxylate ytterbium complex

DUAN Fang-Zheng，LIU Ling-Zhi，QIAO Chun-Yu，YANG Hui-Min，CHEN Peng

(College of Materials and Chemical Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China)

Complex 1 has been synthesized by reaction of 2-aldehyde-8-hydroxyquinoline with Yb(ClO4)3·6H2O，the aldehyde of the ligand is translated into methylformate in CH3OH and CH3CN soluting.X-ray diffraction analysis reveals that complex 1 is unique mononuclear structure.Noticeable，the Yb3+ion is wrapped by the three 8-hydroxylquinolinyl-2-methylformates，which act well as an antenna for complex 1 to promote NIR luminescence of Yb3+ions.Complex 1 exhibits essential NIR luminescence of Yb3+ion with lifetime of 12.01 μs in solid and 10.07 μs in CH3OH solution.

2-aldehyde-8-hydroxyquinoline;ytterbium complex;NIR luminescence

10.13524/j.2095-008x.2015.02.027

2015-03-16

黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12531538)

段芳正(1981-)，女，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，研究方向：稀土發(fā)光材料，E-mail：duanfangzheng@gmail.com。

O436

A

2095-008X(2015)02-0042-05