第11期 C ̄(acac) 的制备及其谱学性能研究 41・ 橡胶助剂 Cr(acac)3的制备及其谱学性能研究 穆兰廖辉伟 童云 郑敏 (西南科技大学材料科学与工程学院,四川621000) 摘要:本文利用CrC13"6H O和配体乙酰丙酮反应合成乙酰丙酮铬,通过正交试验确定最佳的反应条件。对样品进行X衍射图 谱、紫外一可见吸收光谱、红外吸收光谱以及拉曼光谱等光学性质表征。结果表明,制得的乙酰丙酮铬属于单斜晶系.配合物的紫外特征 吸收峰属于 叮r 跃迁和n一 跃迁,其红外及拉曼的特征谱图表明,分子内部以乙酰丙酮羰基O原子与CrfⅢ)配位。结合光谱分 析.表明实验条件下乙酰丙酮铬相关的结构特征良好 关键词:乙酰丙酮铬;合成;x衍射图谱;紫外一可见吸收光谱;红外吸收光谱;拉曼光谱 中图分类号:TQ327.8 文献标识码:A 文章编号:1672—8114(2008)11-0041—05 乙酰丙酮有机金属配合物.作为合成羰基金 公司X'PertPRO型X射线衍射仪CuKo ̄f : 属配合物的中间体,常用做该类化合物的制备 此 1.54060)检测:在日本岛津公司UV一3150型紫外一 外.因其具有良好的热稳定性和可挥发性.还被广 可见近红外光谱仪中测定晶体的紫外吸收f : 泛运用于化学气相沉积和化学提纯等领域I1’ 乙 200~400nm):红外光谱测试在美国尼高力公司 酰丙酮铬(Chromium fIII)acetvlacet0nate。Cr(aoao)3) Nicolet一5700型红外吸收光谱仪(KBr压片)上进 作为该类配合物中较早实现应用研究的物质之一 行:英国Renishaw公司InVia型激光拉曼光谱仪. ,主要用作树脂交联剂和固化剂f3】、化学沉积制铬 激发线波长为514.5nm的氩离子激光器 、氧化铬[s]以及氮化铬膜f6]、低碳链烯烃聚合催化 1.2乙酰丙酮铬制备工艺考察 剂『7. .化学吸附剂【 ]等。此外.还有其参与功能材 1.2.1实验方法 料合成[10'l1]改性_l2]、纳米粉备_13】以及做为医用 将适量的尿素和乙酰丙酮加入到盛有一定浓 食品元素补充剂_l4】的报道 乙酰丙酮铬优异性能 度的CrC] .6H O水溶液的锥形瓶中,加塞,水浴加 不断开发的同时.对于相关制备工艺的要求也在 热。随着尿素的水解,溶液中生成栗色片状晶体: 不断提高。而目前,关于乙酰丙酮铬制备工艺优 待反应完全,抽滤干燥,得到粗品;粗品用甲苯、石 化.以及系统完整研究其谱学特征的报道还尚未 油醚重结晶。冷却、抽滤、干燥.即得到精制样品。 查阅到 因此.本文对乙酰丙酮铬最佳制备工艺条 1.2.2因素水平表 件进行了筛选,优化制备工艺。并对产物的谱学特 针对乙酰丙酮铬粗品制备工艺.以产量为考 征进行表征和分析.完善了相关的谱学研究 察指标,对反应的温度、时间、尿素用量以及配料 摩尔比n(Cr3+):n(Hacac)进行考察,选用IJ9f3 1正交 1实验部分 表进行试验.因素水平表见表l 1.1试剂与仪器 六水合三氯化铬、乙酰丙酮、尿素、甲苯、石油 表1正交实验因素水平 醚、乙醇等均为分析纯。晶体结构采用荷兰帕纳科 作者简介:穆兰(1984一),女(汉族),四川自贡人,在读硕士,师承 廖辉伟副教授.主要从事铬配合物的开发和应用研究。 通讯联系人 Chemical Intermediate 化工中间体 2008年第l1期 表2正交实验结果 注:K、R和k、r分别表示对应的因素水平下,粗品和精制样品的得样量平均值与极差 由表2结果可以看出.影响乙酰丙酮铬产量 因素大小的顺序依次为:B>C>D>A,即影响最显 著的因素为配料摩尔比nfCr3 ):n(Hacac),其次为 尿素用量和温度.在实验选定的因素水平范围内, 温度影响不显著。所以最佳制备工艺为A,B:C。D 。 于表3.表下注释补充说明实验数据与标准卡所 示的主要特征峰值的吻合情况。实验数据计算结 果显示,所得Crfacac1 晶体的晶型属于单斜晶系: 相应的晶胞参数为:a=1.399338nm,b=O.75661nm, C=1.633858nm,仅: =90。,p=99.2835。,V=1707.2 A3,Z=4.0,D(C)=1.3591g/cm 。 即物料乙酰丙酮与铬的摩尔配比为1:5,加入 100g尿素,于80℃的恒温水浴锅中反应8小时。 2乙酰丙酮铬的谱学表征 2.1 X射线衍射分析 选取实验工艺筛选出的最优条件下合成的样 品.进行X衍射。使用XPERT—PRO衍射系统,在 4.9963。≤20≤30.0298 o范围内收集到衍射点 33352个.其中衍射点1063个,取可观测点 fI>20-(I)]的1063个数据用于结构分析,并进行了 经验吸收校正 结果表明.样品的峰位与PDF卡 片18—5605Crfacac1 的特征峰位非常吻和,说明该 产物为单一的Crfacac1 晶体,没有其他杂质生成; M£(o 图1样品Cr(acac)3的X射线衍射谱图 并根据相关的晶面间距与晶胞参数、米勒指数之 间的关系式计算并修.有关的测定及计算结果列 第11期 Cr(acac) 的制备及其谱学性能研究 表3 Cr(acac)3主要特征峰的X射线衍射数据 N0.h k l 2一Theta dobs/A deal/A I/I1 1 0 0 2 10.918 8.0927 8.0623 100.0 2 0 1 1 12.765 6.9292 6.9051 48.8 3 1 1 1 14.785 5.9865 5.9754 2.6 4 —1 1 2 16.651 5.3198 5.330l 12.8 5 1 1 2 17.884 4.9558 4.9390 4.9 6 2 1 1 19.192 4.6208 4.6034 2.7 7 0 1 3 20.227 4.3865 4.3818 2.0 8 一l 1 3 2O.625 4.3029 4.3081 26.1 9 2 1 221.625 4.1060 4.0954 22.6 10—2 l 3 22.537 3.9419 3.94l7 6.7 11—2 0 4 22.631 3.7619 3.7550 21.0 12 0 l 4 24.931 3.5685 3.5702 l9.0 13 2 1 3 25.688 3.4651 3.4525 3.3 14—2 1 4 26.399 3.3733 3.3770 21.0 2.2紫外一可见分光光度法分析 A 图2 Cr(acac)3水和乙醇溶液的紫外一n--l见吸收光谱 图2中曲线a、b分别为Crfacac) 精制样品的 水溶液f浓度为8.59X10 mol/L)和乙醇溶液f浓度 为5.73×10—6m01/L1的紫外一可见吸收光谱。由图可 知.试样在紫外一可见区域出现了3个吸收峰,根 据郎伯一比耳定律吸光度的计算公式A=abc(A一吸 光度:a--摩尔吸光系数,单位L・mol ・cm~.b一光 程长度.即吸收池透明石英壁内面之间的距离,单 位cm.本实验中b值为lem:O一溶液浓度,单位 m0I/L),可计算出各吸收峰的摩尔吸光系数8一。 对于kmax:258.0nm的特征吸收峰,根据其 最大吸收波长及吸收强度famax=12061.5L.m0r1. cm ),并综合考虑谱带的强度和形状.可知该吸收 带应该是由配体acac一中的共轭可电子的跃迁引 起的.属于 竹 跃迁 对于kmax=332.0nm的吸收峰.从其最大吸收 波长及吸收强度famax=15655.4L.mol一1.cm一11来 看,应该属于电荷转移光谱 Crfaoac13分子同时具 有电子给予体部分和电子接收体部分.它们在外 来辐射激发下会产生强烈的紫外吸收.电子由配 位体轨道跃迁到中心离子相关的轨道上 其中.过 渡元素铬提供空的d轨道.乙酰丙酮以氧与之配 位.是电子给予体.形成的上述峰形属于n一1T 跃迁。 对于hmax>360.0nm的吸收峰.该吸收带应该 是由n一盯 跃迁和d—d跃迁引起的.因为配位 氧原子仍具有孤对电子即非键电子fn电子1。能产 生非键电子到 轨道的跃迁即n一耵 跃迁.这 种n一耵 跃迁所需的能量较小.一般谱带强度 弱,摩尔吸光系数小,发生在近紫外区 此外,本来 处在第四周期的铬的3d轨道的能量是简并的.由 于配体的作用,轨道产生。未填满的轨道之间 存在能量差.轨道里的电荷吸收能量.从而产生 d—d跃迁 d轨道能级的基态与激发态之间 的能量差别不大.故光谱位于可见光区.又由于选 择规则的.可以观察到配位场跃迁吸收谱带 的吸光系数并不大 对于图b.选用乙醇作为溶剂测试Cr(acac) 的UV—vis是因为Crfacac1 易溶于乙醇。形成的溶 液具有良好的化学和光化学稳定性 溶液经紫外一 可见分光光度法测试.所得的吸收峰形显示于上 图 由图可知.该溶剂中试样共有四个明显的吸收 峰.乙醇溶液中的hmax-335nm的特征吸收峰应 与水溶液中kmax:332nm的吸收峰属于同一类 型 为Crfaoao) 的形成配合物时的电荷转移光谱。 通过比较发现,相对于水溶液中Cr(aoao) 的谱带, 特征吸收峰发生了轻微的红移 这是由于在极性 较大的溶剂中.电子发生n一1T 跃迁时.基态n 电子与极性溶剂形成氢键.降低了基态的能量.使 激发态与基态之间的能量差变大.导致吸收带 Xmax蓝移.水的极性较乙醇大,故有此现象。 此外.还观察到在乙醇溶液中,配体乙酰丙酮 的特征吸收峰发生.吸收峰位置为 化工中间体 Chemical Intermediate 2008年第11期 Mnax:257nm和kmax=273nm两处.这主要是由乙 酰丙酮自身存在互变异构现象。当它处在极性溶 剂中时.主要表现为酮式结构,峰位为kmax=257 m 而在乙醇溶液中时.由于极性降低,它会出现 由酮式向烯醇式的转变,从而出现吸收峰的 现象。 2.3红外光谱分析 图3乙酰丙酮铬的红外光谱 图3是Crfacac) 精制样的红外光谱图,其与 Crfacac1 IR标准图谱十分吻合。实验所得产物的 红外吸收峰可归属如下:3000 fvCH,,w),2960、 2920、2850( CH3,W),1570、1520(vC=0+vC=C,vs), 1430、1380(6sCH3,VS),1280(vC-CH3+vC=C,VS), 1190(8CH+vC-CH3,w),l120(prCH3,w),1020、935 (vC=C+vC=0,VS),773、759(wCH,VS),704、682(vr+ vC—CH +vCr一0,S_vs),607、592(叮TC—C一0,VS), 525(vr+vCr-0,w),460(vCr一0+vC—CH3,vs),418 (1Jr,,w)cm。 冈中3430cm一1处的吸收峰是由KBr吸水引起 的ffOH1 在红外图谱中,羰基的伸缩振动一般出 现在1900~1650cm~.且吸收强烈.往往是光谱中 的特征吸收峰 而在实验所得的Cr(acac) 红外图 谱中.该范围内却看不到应有的乙酰丙酮羰基特 征吸收峰ll5] 这是由于配合物中.acac一通过2个 氧原子与Cr,+配位键合.使得羰基的典型吸收红 外光谱上表现为出位移 由于分子中羰基的共轭 作用.羰基的吸收峰位移明显.相对的特征频率向 低波速方向移动了150cm~.羰基直接与Crn配 位.螯合环电子云向中心Cr3+移动后键强削弱的 最多.使其伸缩振动向短波方向发生了移动 在附 近的1570与1520cm一1处产生强烈吸收且发生分 裂 所得的双重峰表明,分子中的羰基与金属离子 形成的配位键所处的化学环境有所不同.说明所 生成的配体不是完全对称的.同时说明乙酰丙酮 确实是以羰基中的0原子与CrfⅢ1配位 由于形 成了配位键.Cr(acac) 中的Cr3+强烈吸引螯合环上 的电子云.电子云向着中心金属离子偏移.加之由 此产生的电子诱导效应.进一步影响到了与螯合 环相连的所有键.使得配体中各原子间的键合力 都发生了改变.相关的配位键f即一Cr一0键1以及6 原子螯合环的振动影响.都在红外光谱上有所反 映 红外光谱分析结果表明.采用实验工艺制备的 乙酰丙酮铬与已有理论相符 2.4拉曼光谱分析 rn_eJ 罂 ul 4 3 3 2 2 1 1 ∞ 踟 啪 ∞ 锄 啪 黜 o 5∞ 1g30 15∞ 00 25∞ ∞00 displace ment of Ra man v/cm ’ 图4乙酰丙酮铬的拉曼光谱 结合红外光谱图和激光拉曼光谱.可获得更 加完整的分子振动信息。图4为样品Crfacac) 的 拉曼光谱图。比较图3和4可知.主要的红外光谱 峰和拉曼光谱谱带归属性一致,具有对称性 这是 由于分子中的主要键型同时具有拉曼活性和红外 活性,如:一C—H一和一C—C一等,它们的伸缩振动在 拉曼与红外光谱上基本一致.只是对应的峰的强 弱有所不同。在红外光谱的高频区出现了对应于一 CH和一CH 的两组吸收峰.在拉曼中也有很强的 体现。还有某些强极性键的振动在红外光谱中出 现强吸收带,但在拉曼光谱中却没有反映,如:一 C=0。在红外光谱中,羰基一C=0一的吸收峰为两 组.一组位于1550cm一左右.另一组位于1000 cm 左右,且均有较强的吸收,而在拉曼光谱中却 没有表现出来【】6]。两图谱在低频区均可观测到配 位键Cr一0的伸缩振动 第11期 Cr(acac) 的制备及其谱学性能研究 ・45・ 由于分子中羰基的共轭作用.羰基的吸收峰 发生了明显的位移.比特征频率向短波方向移动 了150cm 且发生了。图中1600cm 附近的 2007(253):4103-41 1 1. 【2]Sato H,Tanaka Y.Distirbution of Isomeric Structures in Polyiso—prenes[J].Polymer,1977,18(6):580-586. 【3】CHEN Ping,LIU Sheng-ping,Song Yong—He.Studies on The Metal Aeetylacctone as An Latent Accelerator of Anhy— 双重峰,表明存在不同的羰基基,同时说明乙酰丙 酮确实是以羰基中的O原子与Cr(Ⅲ)配位。 dride Cured Epoxy Resins【J].Acta Polymerica Sinica,1993, 3结论 (4):486-489. 采用正交实验对工艺参数进行设计.得出制 【4】Antony P P,Kuppusami P,Amp D,Mallika C,et a1. 备Cr facac) 的最优工艺条件.综合X衍射和紫 Plasma assisted chemical vapour deposition of Cr coatings US— 外一可见光谱.获得实验工艺条件下精制样的谱学 ing chromium(III)acetylacetonate vapour source[J].Mater Let— 特征。结果表明:乙酰丙酮铬的最佳制备工艺为: ters,2007(61):50-53. 物料乙酰丙酮与铬的摩尔配比为1:5.加入100g [5]Nable J C,Suib S L,Galasso F S.Metal organic chemical 尿素,于8O℃的恒温水浴锅中反应8小时。实验 vapor deposition of A1203 and Cr203 on nickel as oxidation 条件下合成的Cr(acac) 属于单斜晶系.并获得了 barriers【J].Surface and Coating Technology,2004(16):423— 相应的晶胞参数.紫外一可见光谱出现了两个特征 430. 吸收峰.它们分别由叮『一1T 跃迁和n_+1T 跃迁引 [6]Dasgupta A,Kuppusami P,Lawrence F,et a1.Plasma as— 起.实验还发现不同的溶剂对吸收峰位和强度也 sisted metal—organic chemical vapor deposition of hard 有影响。通过红外光谱的分析.证实所得产物分子 chromium nitride thin film coatings using chromium(Il1)acety— 内乙酰丙酮与铬的结合方式确实是以羰基中的0 lacetonate as the precursor[J].Materilas Science and Engineer— 原子与CrfⅢ1配位键合。结合拉曼光谱,进一步获 ing A,2004(374):362—368. 得了完整的分子振动和转动信息 [7]Liang Xu,Mark L.Trudel1.A mild and efifcient oxidation of alcohols to aldehydes and ketones with periodic acid cat— 参考文献: alyzed by chromium(III)acetylacetonate[J].Tetrahedron Letters, [1]Silvennoinen R J,Jylha J T,Lindblad M,et a1.Atomic 2003,12(44):2553-2555. layer deposition of iirdium(Il1)acetylacetonate on alumina,sil— ica-alumina,and silica supports[J】.Applied Surface science, 收稿日期:2008.08.18 Optimum Pl-occalfs of Preparing Chromimu On)acetylacetonate and Its Spectra Properties Mu Lan Liao HuiWei Tong Yun Zheng Min (Material Science and Engineering College,Southwest University of Science and Technology,Sichuan 621000) Abstract:Chromium (III)acetylacetonate was synthesized by reaction of CrC13’6H20 and acetylacetone.The optimum synthesis conditions have been confirmed though orthogonal test.The op— tical properties of target compound are characterized by means of XRD,UV—Vis,IR and Raman spectra.The result shows that the prepared Chromium (III)acet) lacetonate is a monoclinic crysta1. The characteristic absorb peaks of UV—vis of the polymer belongs to盯— 1T and n— 1T transitions. rI1le IR and Raman spectrum indicate that Cr f III)in the molecule is coordinated with oxygen atoms of the carbonyl groups of acetylacetone.Combining with the spectral analysis,it indicated that the correlative structural characters of Chromium(III)acetylacetonate iS wel1 in the experiment conditions. Keywords:Chromium(III)acetyrlacetonate;synthesis;XRD;UV—vis;IR;Raman spectra