基于多羧酸和含氮杂环配体的配位聚合物的合成、结构与性质研究

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本文探讨了系列基于多羧酸和含氮杂环混合配体体系的配位聚合物的水热合成、组装规律和相关化合物的性能,获得了一些新颖配位聚合物结构。全文共分为六章: 第1章介绍了本研究的背景,包括超分子化学及配位聚合物晶体工程的基础概念与主要研究手段,以及配位聚合物的水热合成。 第2章采用了具有145°角的V型二酸(2,5-噻酚二羧酸)和螯合型含氮杂环(2,2’-联吡啶和邻菲咯啉)组成混合配体体系。利用水热反应,成功得到了两个一维配位聚合物[Cd(tdc)(2,2’-bpy)(H2O)]n和[Cd(tdc)(phen)]n。两个配合物的三维结构都是通过其中的一维链上的配体环之间的错位芳香π-π堆积作用形成。这两个配合物都可以发蓝色荧光,这可能与其中的一维链上存在含氮螯合配体正好得到了有利于产生蓝色荧光的分子轨道能级有关。这两个配位聚合物在空气、或者通常的溶剂中,在很宽的温度范围内非常稳定,为其作为蓝色荧光材料提供了可能。 第3章采用了噻酚二羧酸和刚性桥联型含氮杂环(4,4’-联吡啶)组成混合配体体系,采用水热法合成了四个具孔道结构的高维配位聚合物网络结构,对它们的晶体结构与组装规律进行了解析和分析。结果表明,由于配位构型相似,二价铁、钴和锌离子都形成相似的基于双核金属节点和噻酚二羧酸根连接子的中性二维四方格子层。这些化合物中,羧酸根和金属离子都处在一个平面,并且每个双核节点具有四个空余的配位点,可以构筑基于双柱的柱层式结构。相比而言,已知的基于轮桨型双核锌或铜离子和直线型二酸根(如对苯二甲酸根)构成的中性二维四方格子中,双核的取向和羧酸平面都垂直于二维四方格子,每个双核节点只具有两个空余的配位点,只能构筑基于单柱的柱层式结构。当然,由于选用了较长的4,4’-联吡啶作为柱子,这些化合物中的三维网络都出现了穿插,没有体现出多孔结构。因为二价铜离子的配位构型明显有别于二价的铁、钴和锌离子,该化合物体现了一种新的配位聚合物结构,阴离子的二酸和中性的联吡啶直接桥联单核的铜离子,构成了二维四方格子网络。通过二维网络之间氢键的识别作用,这些二维层采用了重叠型的堆积并产生了孔洞,避免了常见的交错型层间堆积配位。这个例子是基于二维层状结构构筑多孔结构的一个可行策略。第4章采用了均苯三甲酸和4,4’-联吡啶组成混合配体体系,对比具有氧化还原活性的铜离子和不具氧化还原活性的镉离子在水热反应条件下的配位聚合物组装,合成了两个新的配位聚合物。当反应体系含有铜离子时,均苯三甲酸先被铜离子氧化,发生原位羟基化反应,生成了一个新的有机配体2-羟基-1,3,5-苯三甲酸,然后和4,4’-联吡啶一起与铜离子配位形成一个混合价铜配位聚合物。相同反应条件下,由于镉离子不具氧化还原活性,均苯三甲酸无法发生原位羟基化反应,只能生成含均苯三甲酸根和4,4’-联吡啶混合配体的三维镉配位聚合物。此外,该三维镉配位聚合物存在被水分子填充的空洞。在脱去客体水分子后,该材料可以在比较大的温度范围内保持稳定。 第5章采用了二羧酸和柔性含氮杂环1,4-二(1-咪唑基甲基)苯组成混合配体体系,通过水热法合成了四个新的二维或三维配位聚合物。和刚性桥联型含氮杂环配体4,4’-吡啶等相比,1.4-二(1-咪唑基甲基)苯表现出了较为柔性的桥联模式,并扩展为新颖的配位聚合物网络结构。 第6章采用了二羧酸和更长的柔性含氮杂环1,4-二(1-咪唑基甲基)联苯(bimb)组成混合配体体系,通过水热合成了五个新的配合物。当二羧酸为2,6-吡啶二羧酸(H2pdc),金属离子为锌时,所得配合物是一个双核金属有机大环结构[Zn2(bimb)2(pdc)2]3·20H2O;其三维超分子构筑是由氢键把水分子和环状的配合物分子连接起来形成的;在其中观察到了的新颖的12聚水簇。当金属离子换成镉时,则形成了一个通过bimb配体连接二核单元{Cd2(pdc)2(H2O)2)形成的二维网络结构。当采用线型脂肪(芳香)二羧酸时,则得到了混合配体桥连过渡金属离子形成的三维结构;其结构和相关的4,4’-吡啶体系中混合配体连接双核过渡金属离子形成的三维结构明显不同。这些现象说明配体的结构明显影响配位聚合物的结构,线形的脂肪(芳香)二羧酸配体的“长度”要和bimb配体的“长度”匹配,才能形成本章所得的三维配位聚合物。
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