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聚乙烯吡咯烷酮与苯磺酸铕相互作用研究_刘俊

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聚乙烯吡咯烷酮与苯磺酸铕相互作用研究_刘俊 第3 3卷,第6期             光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.33,No.6,pp1487-1490 2 0 1 3年6月             Spectroscopy and Spectral Analysis  June,2013   聚乙烯吡咯烷酮与苯磺酸铕相互作用研究 刘 俊1,2,刘少轩2,高云龙2,3,范晓坤2,4,关 妍2, 翁诗甫2,杨展澜2,徐怡庄2*,吴瑾光2 1.文山学院生化系,云南 文山 663000           2.北京大学化学与分子工程学院,北京 10087...
聚乙烯吡咯烷酮与苯磺酸铕相互作用研究_刘俊
第3 3卷,第6期             光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.33,No.6,pp1487-1490 2 0 1 3年6月             Spectroscopy and Spectral Analysis  June,2013   聚乙烯吡咯烷酮与苯磺酸铕相互作用研究 刘 俊1,2,刘少轩2,高云龙2,3,范晓坤2,4,关 妍2, 翁诗甫2,杨展澜2,徐怡庄2*,吴瑾光2 1.文山学院生化系,云南 文山 663000           2.北京大学化学与分子工程学院,北京 100871 3.辽宁中医药大学药学院,辽宁 大连 116600 4.河北师范大学化学与材料科学学院,河北 石家庄 050016 摘 要 用变温红外光谱法和荧光光谱法研究了聚乙烯吡咯烷酮与苯磺酸铕的相互作用。聚乙烯吡咯烷酮 的酰胺基团可与苯磺酸铕中的铕离子发生络合配位作用,导致聚乙烯吡咯烷酮的酰胺Ⅰ带发生红移。这种 络合配位作用,使原本不溶于氯仿的苯磺酸铕可溶于含聚乙烯吡咯烷酮的氯仿溶液。在苯磺酸铕固体的发 射光谱中,只能观察到铕离子的f—f跃迁特征发射峰,而在苯磺酸铕浓水溶液的荧光光谱中,亦可观测到 苯磺酸根的π*→π跃迁峰,说明苯磺酸铕在水溶液中存在解络合现象。苯磺酸铕在溶液中的解络合行为使 铕离子周围的可配位空间增大,这为PVP的酰胺基团与铕离子发生络合配位作用创造了条件。 关键词 聚乙烯吡咯烷酮;苯磺酸铕;红外光谱 中图分类号:O657.3  文献标识码:A   DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2013)06-1487-04  收稿日期:2012-10-22,修订日期:2013-01-15  基金项目:国家自然科学基金项目(50973003)和国家科技部(863)重大项目(2010AA03A406)资助  作者简介:刘 俊,1965年生,文山学院生化系副教授,北京大学化学与分子工程学院访问学者  e-mail:liujun42765@126.com *通讯联系人  e-mail:xyz@pku.edu.cn 引 言   中国是稀土资源大国和高纯稀土的生产大国,这为发展 高性能稀土新材料创造了有利条件。稀土新材料研究的一个 重要方向是将稀土引入到高分子材料领域,制造高性能稀土 高分子复合材料[1-4]。我们曾围绕酰胺基团与稀土离子发生 相互作用及其在开发新材料方面开展了系列研究[5-7]。磺酸 根具有配位能力弱,配位点多,配位形式多样等特点,将稀 土磺酸盐引入到高分子体系后,稀土离子有可能与高分子官 能团发生络合配位作用,为制备性能优异的稀土高分子复合 材料创造条件。 以聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,PVP)为模型 化合物,研究其与苯磺酸铕的相互作用。PVP具有如下特征 (1)酰胺基团的N原子上不连氢原子,无分子内氢键和分子 间氢键,亦不存在二级结构及二级结构变化,使研究体系得 到简化,为清楚地研究PVP与稀土配合物之间的相互作用 创造了条件;(2)在红外光谱中无酰胺Ⅱ带,这为研究酰胺 Ⅰ带变化增加了100cm-1宽的干净背景;(3)PVP溶于水、 甲醇、乙醇、氯仿等多种溶剂,为方便制备PVP/苯甲酰胺复 合物提供了可能;(4)PVP不结晶,排除了多种结晶行为对 红外光谱的影响。同时,铕离子具有发光性能,可通过苯磺 酸铕的发光行为深化认识稀土高分子体系的物理化学性 质[8]。 1 实验部分 1.1 试剂 Eu2O3 和Y2O3 是由包头稀土厂生产的;苯磺酸,北京 化工厂,分析纯;PVP,北京益利精细化学品有限公司,分 析纯;氯仿,天津市化学试剂二厂,色谱纯;EDTA,北京化 工厂,分析纯。 1.2 仪器和测试条件 Thermo Scientific 公 司 的 红 外 光 谱 仪 (Nicolet iN10 MX),光谱分辨率8cm-1,扫描次数32次。 HORIBA JOBIN公司的Nanolog FL3-2iHR红外荧光测 试系统,激发波长300nm,激发和发射狭缝都是2nm。 Vario Micro Cube元素分析仪(Vario Micro Cube)。 1.3 苯磺酸铕的制备 称取28.39g苯磺酸,用适量去离子水使其溶解,加入 10.00g Eu2O3 并搅拌至溶液澄清,pH值4~5,蒸发浓缩, 冷却结晶、过滤、在烘箱中保持180℃恒重干燥24h。 1.4 变温红外光谱研究 将PVP与不同质量的苯磺酸铕溶于去离子水中,并将 所得溶液涂在铜网上,制成PVP-苯磺酸铕薄膜、用于变温 红外光谱测试。变温红外光谱测试从室温开始,每次升温10 ℃,当样品温度达到指定温度时,平衡20min。 1.5 荧光光谱研究 苯磺酸铕的氯仿溶液,称取苯磺酸铕1.00g加入氯仿 25.00mL,超声振动2h,放置24h后过滤,取滤液进行荧 光发射光谱测试;苯磺酸铕的PVP氯仿溶液,将PVP在真 空干燥箱中保持80℃干燥12h作脱水处理,并称取2.50g 加入25.00mL氯仿使其溶解,加入苯磺酸铕1.00g,超声 振动2h,放置24h后过滤,取滤液进行荧光发射光谱测试; 荧光光谱的激发波长为300nm。 2 结果与讨论 2.1 元素分析 用元素分析仪测定1.3制备样品的碳氢含量,用EDTA 滴定铕含量。所得结果与Eu(C6H5SO3)3 理论值见表1,两 者符合较好,说明产物为Eu(C6H5SO3)3。 Table 1 Result of elementary analysis of europium benzenesulfonate 理论值/% 实验值/% C  34.67  34.73 H  2.41  2.50 Eu  24.39  24.01 2.2 变温红外光谱研究 稀土与高分子的酰胺基团之间的相互作用可通过红外光 谱的酰胺Ⅰ带加以表征[9,10]。PVP有很强的吸水性,吸附水 给用红外光谱方法研究PVP酰胺基团的变化带来困难:(1) 水的 H—O—H变角振动谱带与PVP的酰胺Ⅰ带发生光谱 重叠,难以观察PVP酰胺Ⅰ带的变化。(2)水可与稀土离子 络合配位,亦可与PVP的酰胺基团形成氢键,这削弱了稀土 离子与PVP酰胺基团间相互作用。为清楚地研究PVP与苯 磺酸铕间的相互作用,我们采用变温红外光谱开展研究工 作。 图1为PVP的变温红外光谱。室温条件下PVP含有吸 附水,在3 000~3 600cm-1区间可观察到一个宽而强的OH 伸缩振动吸收峰。在1 600~1 800cm-1区间,PVP酰胺Ⅰ带 受吸附水的影响,其主峰峰位在1 655cm-1附近。随着样品 温度升高,吸附水逐步脱除,OH伸缩振动峰强度逐渐降低。 当样品温度达到180℃时,该峰完全消失。此时PVP的酰胺 Ⅰ带的吸收峰移至1 686cm-1附近。   图2给出了PVP-苯磺酸铕复合膜(PVP与苯磺酸铕质 量比为1∶0.3)的变温红外光谱。随着样品温度的升高,复 合物吸附水的OH伸缩振动峰逐渐降低直至完全消失。此时 样品的酰胺Ⅰ带发生分裂,除1 680cm-1处的主峰外,在 1 628cm-1附近出现肩峰。对苯磺酸铕含量不同的PVP/苯 磺酸铕复合体系进行变温红外光谱研究(图3),1 628cm-1 处峰与1 680cm-1处峰的峰强比随PVP/苯磺酸铕复合体系 中苯磺酸铕含量的增加而增加。这说明1 628cm-1附近的肩 峰与苯磺酸铕有关。酰胺Ⅰ带变化的原因是PVP的酰胺基 团与苯磺酸铕中的铕离子发生了络合配位作用, C O 键 键级被削弱,导致 C O 谱峰红移。虽然苯磺酸根可能产生 空阻效应,但PVP的酰胺基团仍能和铕离子发生络合配位 作用。 Fig.1 Temperature-dependent FTIR spectra of PVP Fig.2 Temperature-dependent FTIR spectra of PVP/europium benzenesulfonate europium composites MPVP∶Meuropium benzenesulfonate=1∶0.3 Fig.3 FTIR spectra of PVP/europium benzenesulfonate com- posites with different MPVP∶Meuropium benzenesulfonateat 180 ℃ 8841 光谱学与光谱分析                    第33卷 2.3 荧光光谱研究 苯磺酸铕固体的发射光谱上在590,615,649和699nm 处有发射峰(图4a),这些峰是铕离子的5 D0—7 Fj 跃迁峰, 在苯磺酸铕固体发射谱上未见磺酸根的发射峰,这是因为固 体状态时苯磺酸根和铕离子发生络合配位作用,用紫外光照 射样品时,磺酸根吸收了能量跃迁至激发单重态,激发单重 态经系间窜跃至三重态,处于激发三重态的苯磺酸根把能量 传递给铕离子,一方面产生了铕离子f—f跃迁峰,另一方 面从配体到铕离子能量传递过程起到了猝灭配体自身荧光的 作用,使得在苯磺酸铕固体的发射光谱中看不到配体的荧光 发射峰。图4b为苯磺酸铕水溶液(0.02mol·L-1)的荧光发 射光谱,除能看到铕离子的特征发射峰外,还在395nm处 观测到一个宽而强的荧光发射峰,该谱峰为苯磺酸根的π* →π跃迁峰。造成苯磺酸铕水溶液荧光光谱中出现π* →π跃 迁峰的原因是苯磺酸铕在水溶液中发生解络合作用,部分苯 磺酸根从铕离子上脱离下来,使从配体到中心铕离子的能量 传递路线中断,故被紫外光激发的非络合苯磺酸根只能通过 π*→π跃迁的方式释放多余能量。因此,在苯磺酸铕水溶液 的光谱上亦可观测到苯磺酸根的发射峰。 对于金属配合物的水溶液而言,在低浓度条件下可能发 生配合物解络合现象,这种解络合现象在高浓度水溶液中会 得到抑制。而苯磺酸铕水溶液浓度即使高达0.02mol·L-1, 仍能观测到苯磺酸根的发射峰。说明苯磺酸铕中苯磺酸根与 铕离子之间的络合配位作用不强,即使在很高浓度的水溶液 中,仍有部分苯磺酸根从铕离子周围脱离下来。空间阻碍大 的苯磺酸根从铕离子周围脱离下来,在铕离子周围的可配位 空间增大,这将增加含酰胺基团的高分子链段与铕离子发生 络合配位作用的机会。也就是说,苯磺酸铕配合物的不稳定 性赋予其很高的与含酰胺基团的高分子发生络合配位活性。 为了进一步验证苯磺酸铕与PVP之间的相互作用,我 们考察了苯磺酸铕在氯仿溶液中的荧光光谱行为,结果见图 5。图5a为苯磺酸铕氯仿溶液的发射光谱,其中不存在铕离 子的特征发射峰,说明苯磺酸铕不能溶于氯仿。将1.0g苯 磺酸铕加入到含PVP的氯仿溶液中,经超声处理2h,放置 24h后,可观察到部分苯磺酸铕溶于含PVP的氯仿溶液。将 上述悬浊液过滤后取滤液进行荧光光谱测试,在滤液的发射 光谱中可观察到铕离子在592和616nm等处有特征发射峰。 (图5b),此结果亦苯磺酸铕可溶解在含PVP的氯仿溶 液中。如前文所述,氯仿本身不溶解苯磺酸铕,氯仿中的 PVP对于溶解苯磺酸铕起到了非常重要的作用。结合红外光 谱研究,PVP的酰胺基团与铕离子间的络合配位作用是使苯 磺酸铕在含PVP的氯仿中溶解的主要原因。   对于图5曲线b中在400nm附近宽而强的荧光峰,目 前有两种解释:(1)溶解在PVP氯仿溶液中的苯磺酸铕发生 解络合现象,产生游离态的苯磺酸根,在紫外光照射下,处 于激发态的游离苯磺酸根不能把能量传递给铕离子,部分能 量通过荧光发射的形式释放。(2)据文献[11]报道,原本不 会产生荧光发射的高分子如聚乙二醇在形成胶团,囊泡等聚 集体时,亦可能产生光致发光现象,我们推测,PVP在氯仿 溶液中亦有可能形成胶团,囊泡等聚集体,出现光致发光现 象,进一步的工作正在进行中。 Fig.4 Emission spectra of aeuropium benzenesulfonate in sol- id state;b0.02mol·L-1 aqueous solution of europium benzenesulfonate Fig.5 Emission spectra of afiltrate from europium benzene- sulfonate/chloroform mixture;bfiltrate from europium benzenesulfonate/chloroform solution containing 10 Wt%PVP mixture 3 结 论   通过变温红外光谱法和荧光光谱法研究了PVP与苯磺 酸铕的相互作用。由于PVP的酰胺基团与苯磺酸铕中的铕 离子发生了络合配位作用, C O 键键级被削弱,酰胺Ⅰ带 发生红移。苯磺酸铕固体的荧光发射光谱只存在铕的f—f 跃迁特征发射峰。而在苯磺酸铕浓水溶液中亦有苯磺酸根的 π*→π发射峰,说明苯磺酸铕在水溶液中存在解络合作用。 苯磺酸铕不溶于氯仿,但可溶于PVP的氯仿溶液,苯磺酸铕 与PVP发生相互作用是其在氯仿中溶解的主要原因。 9841第6期                    光谱学与光谱分析 References [1] Yan B,Qiao X F.J.Phys.Chem.B,2007,111:12362. 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On the Interaction between PVP and Europium Benzenesulfonate LIU Jun1,2,LIU Shao-xuan2,GAO Yun-long2,3,FAN Xiao-kun2,4,GUAN Yan2,WENG Shi-fu2,YANG Zhan-lan2, XU Yi-zhuang2*,WU Jin-guang2 1.Department of Biochemistry,Wenshan University,Wenshan 663000,China 2.College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,China 3.College of Pharmacy,Liaoning University of Traditional Chinese Medicine,Dalian 116600,China 4.College of Chemistry and Materials Science,Hebei Normal University,Shijiazhuang 050016,China Abstract The interaction between polyvinylpyrrolidone(abbreviated as PVP)and europium benzenesulfonate was investigated by using temperature-dependent FTIR and fluorescence spectra.Europium compounds show strong coordination ability with am- ide groups of PVP.In order to remove the undesired H—O—H scissoring bands from the adsorbed water in FTIR spectra,tem- perature-dependent FTIR was utilized to reveal the spectral behavior of amideⅠband after being coordinated with europium ions from europium compounds.As a result,the bond order of the carbonyl groups decreased,leading to a red-shift of amideⅠband in the FTIR spectra.Furthermore,fluorescence spectra demonstrate that the interaction between PVP and europium benzenesul- fonate enhanced the solubility of europium benzenesulfonate in chloroform.As a matter of fact,europium benzenesulfonate, which is insoluble in chloroform,becomes soluble in chloroform containing 10Wt%PVP.In the fluorescence spectrum of euro- pium benzenesulfonate crystals,only the f—ftransition peaks of europium ions can be found.However,the emission peak of theπ*—πtransition of benzenesulfonate group appears in concentrated aqueous solution of europium benzenesulfonate.The phe- nomenon shows that part of benzenesulfonate undergoes decomplexation from europium benzenesulfonate complex and isolated benzenesulfonate occurs in the aqueous solution.Energy transfer pathway from excited triplet state of benzenesulfonate to euro- pium ions is blocked in isolated benzenesulfonate.As a result,π*—πtransition band of benzenesulfonate can be observed in the florescence spectrum.The decomplexation provides larger coordination space around europium ions,which favors the coordina- tion between europium benzenesulfonate and PVP. Keywords Polyvinylpyrrolidone;Europium benzenesulfonate;FTIR (Received Oct.22,2012;accepted Jan.15,2013)   *Corresponding author 0941 光谱学与光谱分析                    第33卷
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