Химическая технология получения магнитоактивных железосодержащих нанокомпозитов с использованием в качестве предшественников карбоксилатов насыщенных монокарбоновых кислот

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 8
ВВЕДЕНИЕ 9
1. Обзор литературы 12
1.1 Насыщенные монокарбоновые кислоты и карбоксилаты на их основе 12
1.2 Карбоксилаты металлов 13
1.3 Структура карбоксилатов различных групп металлов 16
1.4 Типы координации карбоксилатных лигандов 18
1.5 Общие методы синтеза карбоксилатов металлов 20
1.6 Методы получения наночастиц оксидов железа 22
1.6.1 Получение наночастиц оксидов железа размером до 10 нм. 24
1.6.2 Получение наночастиц оксидов железа размером от 10 до 20 нм 24
1.6.3 Получение наночастиц оксидов железа размером от 30 до 100 нм. 24
1.7 Физические свойства и поведение карбоксилатов металлов в водных растворах 25
1.8 Термическая устойчивость и реакции термолиза карбоксилатов металлов 28
1.9 ИК- спектры карбоксилатов металлов 31
1.10 Магнитные свойства карбоксилатов металлов 32
1.11 Состав газообразных и твердофазных продуктов термолиза металлсодержащих мономеров 32
1.12 Функциональные и механические свойства металлополимерных нанокомпозитов 33
1.13 Свойства и области применения металлополимеров 34
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 35
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ 35
2.1 Исходные вещества 37
2.2 Синтез каприлата железа 37
2.3 Термолиз карбоксилатов железа 38
2.4 Элементный анализ 39
2.5 Определение содержания железа 40
2.6 Определение строения полученных соединений методом 41
ИК-спектроскопии 41
2.7 Рентгенофазовый анализ 46
2.8 Дифференциальная сканирующая калориметрия 54
2.9 Математическая обработка экспериментальных данных 58
2.10 Магнитные исследования 62
2.11 Технологическая схема получения маггемита. 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 65
Список используемой литературы 67

Весь текст будет доступен после покупки

Исследовательская работа направлена на синтез и исследование железосодержащих нанокомпозитов с использованием в качестве предшественников насыщенных монокарбоксилатов.
На основе макромолекулярных карбоксилатов металлов возможно получение перспективных и практичных нанокомпозитных материалов. Это послужило причиной большого интереса исследователей к этому классу соединений. На их основе можно получать принципиально новые типы материалов, которые обладают различными свойствами: оптическими, сенсорными, электрическими, магнитными и др. Такие материалы могут являться катализаторами реакций основного органического синтеза, а также реагентами для улучшения ряда свойств полимеров [1].
Изучение наночастиц металлов играет важную роль в развитии современных нанотехнологий. В первую очередь это связано с широким спектром их практического применения, из-за специфических свойств наночастиц и модифицированных ими материалов. Такая заинтересованность к данным частицам наблюдается, из-за их использования в качестве катализаторов и на данный момент — это направление их промышленного использования наиболее развито.
Также они находят применение как модифицирующие присадки и компоненты консистентных смазочных материалов. Большая часть карбоксилатов применятся как составляющая лакокрасочных материалов, повышая скорость высыхания, а также в качестве осушающих агентов.
В зависимости от типа матрицы, нанокомпозиты делятся на три типа:
• Нанокомпозиты состоящие из материала, получившего название металлическая матрица (повышают прочность и электрическую проводимость металла).
• Нанокомпозиты полимерного состава, содержащие в себе матрицу с распределенными по ней наночастицами.
• Нанокомпозиты имеющие в основе керамическую матрицу (улучшают электрические, а также оптические свойства материала).
При помощи полимерных нанокомпозитов можно получить материалы, которые получают легкость в обработке со значительно улучшенными и даже многофункциональными свойствами, что дает возможность для новых применений получаемых полимеров. Благодаря сочетанию свойств матриц из полимерного материала, такого как пленкообразование, коррозионная стойкость, механическая прочность и функциональных свойств наноразмерных наполнителей, она дает возможность рассматривать такие материалы, как перспективные в сферах авиакосмической промышленности, микроэлектронике и приборостроении [2].
Поэтому интерес к металлосодержащим мономерам возрос достаточно сильно, так как эти соединения можно использовать в качестве прекурсоров для получения нанокомпозитов. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что синтез металлополимерных нанокомпозитов чрезвычайно важен и имеет большое научное значение.

Весь текст будет доступен после покупки

Изученные в данной работе органические соединения находят свое применение как в промышленности, так и при различных исследованиях, поэтому, часто, выбор падает именно на них. Для разработки новых металлполимеров химики обращают свое внимание на тип соединений, получивший название мономеры. Благодаря широкому использованию карбоксилатов ученые разрабатывают методики синтеза и адаптируют старые методики, для регулирования их характеристик на стадии химического взаимодействия.
Карбоксилат-ион ведет себя достаточно химически-активно, поэтому он может выступать в различных вариациях тетрадентатного лиганда (моно, би, три), также проявляя множество типов координации по отношению к ионам металлов. Тип координации в структуре соединения зависит от множества факторов:
• наличия конкурирующих электронейтральных или ацидо-лигандов (важнейший фактор для учета сдвигов и замены связей)
• природы атомов металлов (основное влияние оказывает именно этот фактор)
• природы внешнесферных катионов и водородных связей (обязательный фактор для учета внешних взаимодействий)
Из-за этого данные соединения можно отнести к так называемым «умным» материалам [7].
Исследования процессов полимеризации данного типа имеют место именно благодаря практической ценности получаемых соединений и частоты экспериментов.
Из-за разнообразного координационного окружения металла, наличия функциональных групп соединения данного типа получают хорошую базу для конструирования новых современных материалов. На их основе создаются такие тонкие химические соединения как магнитоактивные материалы, в том числе, популярные на сегодняшний день, молекулярные магнетики [8-11].

Таблица №1 – Свойства применяемых карбоновых кислот
Кислота Формула Т пл. °С Т кип. °С d г/см3
Муравьиная H-COOH 8,25 100,70 1,2196
Каприловая СH3-(CH2)6-COOH 16,50 237,00 0,910

1.2 Карбоксилаты металлов

Карбоксилаты металлов – известный класс металлосодержащих органических соединений, которые находят широкое применение в различных областях деятельности человека, в науке и технике [12]. Исследованию их термического поведения в последние годы придается большое значение. Промышленный интерес к этим исследованиям связан с широкой областью применения продуктов термолиза (наночастиц металлов, металлооксидов или их карбидов) в качестве катализаторов реакций основного органического синтеза, керамических материалов, неорганических пигментов и др. [13].
Карбоксилаты металлов (соли карбоновых кислот) - это химические соединения, содержащие атомы металлов (М) и одну, две, три или более (n) карбоксилатные группы общей структурной формулы –ОСОR, где R это алкильный, ароматический, нафтеновый, гетероатомсодержащий фрагмент, включающий не менее одного атома углерода - М(ОСОR)n [4].
Условно их подразделяют на две большие группы. Технические смеси водорастворимых (литиевых, натриевых, калиевых, аммониевых и три-этаноламмониевых) солей высших жирных (С8-С18), нафтеновых и смоляных кислот называют щелочными мылами, которые относятся к числу основных (в том числе – бытовых) моющих средств, а водо-нерастворимые соли, содержащие металлы II, III и других групп (напр., Са, Mg, Ni, Mn, Al, Co, Pb и др.) – металлическими мылами преимущественно технического назначения. Производные высших жирных карбоновых кислот и щелочных металлов (мыла) и карбоксильные производные других металлов (в том числе переходных) находят в настоящее время широкое применение, как в повседневной жизни человека, так и в различных отраслях промышленности. Люди с древности использовали карбоксилаты, содержащие остатки различных органических кислот и различные металлы, однако и по сей день в мире ведутся интенсивные исследования в области синтеза, установления структуры и определения свойств различных карбоксилатов.
Большая часть производимых в настоящее время карбоксилатов – это мыла, пенообразующие агенты и другие компоненты моющих и косметических средств (известные с древности натриевые и калиевые соли жирных кислот). Однако в настоящее время такие гиганты химической промышленности, как Shepherd, TROY Corp., OMG, Umicore и другие выпускают огромный спектр продуктов, включающих карбоксилаты, в которые входят производные практически всех металлов Периодической системы и более сотни различных карбоновых кислот.
Карбоксилаты металлов, которые человек начал использовать и использует по сей день в качестве моющих средств, к настоящему моменту нашли огромное количество сфер применения, от нефтехимии до нанотехнологии, и преподносят нам все новые и новые сюрпризы, в виде открываемых новых уникальных свойств этих соединений. Очевидно, что это область больших возможностей, активно стимулирующая все возрастающий интерес к химии и физике карбоксилатов непереходных и переходных металлов[4].
В наши дни появились новые, интересующие ученых, области применения карбоксилатов и получившие названия полиядерные комплексы с карбоксилатными лигандами.
1) Доказано, что кроме одномерной, двумерной и трехмерной магнитной ориентации, имеющей место в соединениях данного типа, молекулы, обладающие определённой индивидуальностью, становятся магнитами при пониженных температурах. Исходя из этого они получили название мономолекулярных магнитов. Так как в наши дни очень активно развивается технология получения магнитных жидкостей, а также на месте не стоит и наноэлектроника и нанотехнологии, свойства описанные выше могут напрямую использоваться и улучшать полученные соединения.
2) Использование соединений данного типа в качестве биомиметических моделей некоторых полиметаллических активных центров ферментов подарили возможность развивать каталитические системы повышенной эффективности, которые часто применяются химиками-органиками в тонких синтезах для осуществления окислительно-восстановительных процессов. Также эти “шаблонные” комплексы могут использоваться для образования природных минералов [14-30];

Весь текст будет доступен после покупки

1. Pomogailo A.D., Dzhardimalieva G.I., Kestelman V.N. Macromolecular Metal Carboxylates and their Nanocomposites. - Berlin-Heidelberg: Springer, 2010. - 305 p.
2. Steven L. Masia // Nanocomposaite Review // Current Scientific and Technical Advances, 2008.
3. Андрусишина, И.Н. Спектральные методы в оценке физико-химических свойств коллоидных растворов наночастиц металлов / И.Н. Андрусишина, В.Ф.Горчев, Т.Ю.Громовой, Ю.А.Курапов // Актуальные проблемы транспортной медицины. – 2014. – Т. 37. - № 3. – С. 121-132.
4. Седов И.В., Махаев В.Д., Матковский П.Е., Алдошин С.М.,. Троицкий В. НЯруллин, Р.С., Винс В.В. // Карбоксилаты непереходных и переходных металлов – получение, свойства и применение - Институт проблем химической физики РАН, 2006, с.10
5. Помогайло А.Д. Металлокомплексы как прекурсоры самоорганизованных нанокомпозитов / А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг, Г.И. Джардималиева // Рос. химический журн. – 2008. – Т.53, №1. – С. 142.
6. R.M. Cornell, U. Schwertmann, The Iron Oxides // Wiley-VCH, Weinheim, 2003, ISBN 3-527-30274-3, p. 694
7. Порай-Кошиц М. А. Кристаллохимия и стереохимия одноосновных карбоксилатов переходных металлов // Журн. структур, химии. - 1980. - Т. 21.-С. 146-180.
8. Mishra A., Wernsdorfer W., Abbound K.A. Christou G. // Inorg. Chem. – 2006. - V.45. - P. 1197.
9. Padilla J., Hatfield W.E., Wasson J.R., Estes W.E. // Transition Met. Chem.. – 1989. V.14. - P. 2017.
10. Palacio F., Oliete P., Schubert U., Mijatovic I., Husing N., Peterlik H.. J. // Mater Chem. – 2004. - V.14., - P.1873.

Весь текст будет доступен после покупки