王海丁，蒋晓宇，赵润秋，党欣语，王敏

苯磺酸钕的合成及结构表征

王海丁，蒋晓宇，赵润秋，党欣语，王敏*

（渤海大学化学与材料工程学院，辽宁 锦州 121013）

以苯磺酸与氧化钕为原料合成苯磺酸钕[Nd(C6H5SO3)3·2H2O]，通过热重分析、红外光谱、核磁共振光谱、扫描电镜分析对其进行了结构表征，确定了分子结构和表面形貌。苯磺酸钕含2个结晶水，热稳定性良好，表面呈分散的纤维棒状。

苯磺酸钕；合成；表征

近年来磺酸稀土金属配合物[1-4]的研究一直是化学工作者在稀土金属有机配合物的合成与应用方面研究的重点。因稀土离子的电子结构具有的性能，使其具有发光、荧光、耐热等性质[5-6]，其特性使稀土离子在磁[7]、光[8]、导电[9]、导热[10]、催化[11]等方面存在应用价值。磺酸金属配合物中SO3-基团的所有氧原子都可以与金属离子配位，其配位模式多样化并且具有可修饰性及较强的氢键形成能力，可形成高维的配位结构[12]，因此在电化学[13]、有机合成[14]、催化[15]等方面应用广泛。从软硬酸碱的观点看,稀土离子属于硬酸,因而它更倾向于与氧氮这样一般称之为硬碱的原子配位[16]，所以，磺酸稀土金属配合物的合成及表征有重要的应用与理论研究的价值。本文以苯磺酸与氧化钕为原料合成得到了苯磺酸钕，通过热重、红外、核磁共振光谱和扫描电镜对其分子结构和表面形貌进行研究。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：PYRIS DIAMOND TG/DTA热分析仪（美国Perkin-Elmer公司）测定得到热重曲线；采用Scimitar 2000 Near FT-IR Spectrometer型傅里叶变换红外光谱仪（美国Agilent公司）进行红外光谱测定；Agilent 400-MR型核磁共振仪（美国Agilent公司）进行核磁共振氢谱和碳谱的测定；S-4800型扫描电镜（日本日立公司）得到扫描电镜图。

试剂：所用的苯磺酸和氧化钕均为市售分析纯。

1.2 苯磺酸钕的合成方法

称取25.0 g苯磺酸（70%）（0.11 mol），与水混合按1∶1体积比加入反应瓶内，缓慢加入6.7 g氧化钕（0.02 mol），在搅拌条件下加热回流4 h。趁热过滤，洗涤，合并滤液，蒸干，在真空和100 ℃条件下，干燥3 h后制得淡粉色粉末19.8 g，产率为87.6%。

2 实验结果与讨论

2.1 热重分析

用热重分析方法探究了苯磺酸钕在氮气气氛下的脱水和热分解过程，所得到的TG曲线可提供多种信息，在25~800 ℃范围内，测定了苯磺酸钕的热重曲线（如图1所示）。

图1 苯磺酸钕的热重谱图

从图1中可以看出，在氮气气氛中，苯磺酸钕的分解过程分为两个阶段进行。第一阶段的失重过程在77~160 ℃范围内失去结晶水，实际测得失重率为5.3%，理论计算值为5.5%（理论值与实测值基本一致），由计算可知苯磺酸钕中含结晶水个数为2个；第一步失水完成后，在160~570 ℃范围内，苯磺酸钕未发生质量变化，说明在此温度范围内，苯磺酸钕可以稳定存在；在570 ℃后，苯磺酸钕发生第二阶段的失重，失重原因是由于其内部结构骨架坍塌，从此处也可看出苯磺酸钕具有良好的热稳定性；在热分解结束时，残渣重量为43.6%，最终得到的产物为黑色。

2.2 红外分析

以KBr作为基质，在波数范围4 000 cm-1到400 cm-1内对所合成的苯磺酸钕进行测定（如图2所示）。

图2 苯磺酸钕的红外谱图

从图2中可以看出，磺酸基的硫氧双键的对称伸缩振动νsSO2= 1 137 cm-1，硫氧双键的不对称伸缩振动νasSO2= 1 172 cm-1，νC-S的伸缩振动吸收在755 cm-1，说明化合物分子中含有-SO3；在1 600~1 450 cm-1处出现特征峰说明化合物分子中含有苯环，所以在1 446 cm-1处的特征峰证明化合物分子中含有苯环。单取代通常在770~730 cm-1出现强吸收。所以732 cm-1出现的特征峰进一步证明了苯环的存在。在3 417 cm-1和1 643 cm-1附近出现的强吸收峰是络合物分子中水分子的O-H键的伸缩振动和弯曲振动。

2.3 核磁共振光谱分析

核磁共振氢谱（见图3）测试采用D2O作溶剂，TMS为内标，测试频率为400 MHz，δ 7.78(s, 4H, ArH), δ7.54(s, 6H, ArH)。1H NMR分析结果表明，苯磺酸钕中已经没有酸中残留的羟基，δ = 4.79为溶剂D2O峰，以基准数值4.79为标准标定化学位移。核磁共振碳谱（见图4）测试采用D2O作溶剂，TMS为内标，测试频率100 MHz，δ 141.99，131.55，128.90，125.19。

图3 苯磺酸钕的核磁氢谱图

图4 苯磺酸钕的核磁碳谱图

2.4 扫描电镜分析

应用扫描电子显微镜（SEM，见图5）对苯磺酸钕的表面形貌和团聚情况进行分析。分别放大10 000、5 000、1 000和500倍，在500和1 000倍图中可以看出，苯磺酸钕呈现出纤维棒状分散的结构，堆积起来比较松散。放大至5 000和10 000倍后，可清晰地看到表面较为光滑平整，有较小的块状物团聚，大小不一的棒状结构有断裂的痕迹。

（a: 10 000倍、b: 5 000倍、c: 1 000倍、d: 500倍）

3 结 论

本文以苯磺酸与氧化钕合成了苯磺酸钕，并通过热重、红外、核磁共振光谱、扫描电镜的表征手段对苯磺酸钕进行了表征。测试谱图表明，其热稳定性较好，表面呈现出纤维棒状分散结构，堆积松散。详细研究了苯磺酸钕的分子结构，对其应用研究有着重要意义。

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Synthesis and Structural Characterization of Neodymium Benzenesulfonate

,,,,*

（College of Chemistry and Materials Engineering, Bohai University, Jinzhou Liaoning 121013, China）

Neodymium benzenesulfonate [Nd(C6H5SO3)3·2H2O] was synthesized from benzenesulfonic acid and neodymium oxide. Its structure was characterized by thermogravimetric analysis (TG), infrared spectroscopy (IR), nuclear magnetic resonance (NMR) and scanning electron microscopy (SEM). The molecular structure and surface morphology of neodymium benzenesulfonate were determined. The results show that the neodymium benzenesulfonate contains two crystalline water, has good thermal stability, andits surface is in the form of scattered fiber rods.

Neodymium benzenesulfonate; Synthesis; Characterization

2020年大学生创新创业项目计划（项目编号：202010167017）。

2021-01-17

王海丁（2000-），女，满族，安徽省来安县人，研究方向：绿色化学。

王敏（1977-），女，满族，教授，博士，研究方向：绿色催化化学。

O742+.5

A

1004-0935（2021）04-0467-04