基于联苯类有机配体配位聚合物的合成、表征及性质研究

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配位聚合物通常是指小分子有机多官能团配体与金属离子或离子簇通过自组装过程形成的具有周期性网络结构的金属有机骨架晶体材料。与传统无机材料相比,它们的合成条件更加温和,结构更易于控制,在催化、分离、吸附、导电材料、光学材料、磁性、非线性材料等领域有着巨大的应用潜力及诱人的发展前景,近年来受到了科学工作者们的广泛关注。本文的研究致力于构筑开放性骨架结构的配位聚合物材料,主要分为两部分:设计并合成新型联苯类羧酸配体3,4’-联苯二羧酸(3,4’-bpdc)来进行配位聚合物的合成、结构和性质研究,致力于构筑具有开放性孔道的晶体材料。本文研究了3,4’-联苯二羧酸与一系列过渡金属的反应,在与金属铜的合成过程中,我们得到三种3,4’-联苯二羧酸铜单晶化合物:[Cu(OOCC6H4C6H4COO)(H2O)·DMF·2H2O]n (CC-1), [Cu(OOCC6H4C6H4COO)(H2O)·2DMF·4.5H2O]n (CC-2)和[Cu(OOCC6H4 C6H4 COO)(C5NH52·(C3H7NO)0.5]n (CC-3)。通过与不同的过渡金属锌、镉、钴、锰等进行反应,得到四种金属羧酸配位聚合物:[Co(OOCC6H4C6H4COO)(C5NH52]n (CC-4 )和[Mn(OOCC6H4C6H4COO)(C5NH52]n (CC-5), [Zn(OOCC6H4C6H4COO)(H2O)]n (CC-6), [Cd(OOCC6H4C6H4COO)(C3H6NO)]n(CC-7)。设计并合成了联苯型膦酸配体4’-膦基联苯-4-羧酸(4,4’-pbpca),通过与金属锌进行反应,得到两种膦酸锌单晶化合物[(Zn2.5O2)(O3PC6H4C6H4COO)]n (CP-1)和CP-X。所有配位聚合物均经X-射线单晶衍射解析其结构,通过X-射线粉末衍射(XRD)表征其相纯度,然后进行热重分析(TGA)、元素分析(EA)和红外(IR)等相关表征,还对CC-1和CC-2进行了N2和H2吸附性质的测试。X-射线单晶衍射分析表明,CC-1和CC-2为一对超分子异构体,它们具有相同的组成部分,都具有双核铜车辐式二级结构单元[Cu2(O2CR)4],由于配体采取了不同的排列方式,形成了两种截然不同的三维网络结构。其中CC-1是具有金刚石拓扑的三重贯穿的骨架结构,CC-2是具有NbO拓扑的两重贯穿的骨架结构。CC-3中,Cu原子为五配位,每一个Cu原子配位了两个吡啶后,被两个3,4’-bpdc配体上的3一位的羧基桥连形成双核结构,而4’-位的羧基采用了单齿配位的方式将双核连接成二维层状结构。CC-1的N2吸附曲线为典型Ⅰ型微孔吸附曲线,比表面积为541m2/g,并且CC-1和CC-2都具有很好的H2吸附性质。同时,我们通过实验发现,CC-3可以脱去吡啶转化为CC-1。CC-4和CC-5是具有相同结构、不同金属中心的同晶异质。Co原子和Mn原子中心都是六配位,每个金属原子配位了两个吡啶后,被两个3,4’-bpdc配体上的3-位的羧基桥连形成双核,4’-位的羧基采用了螯合配位的方式将双核连接成二维层状结构。CC-6为一维链状结构,Zn原子以四配位的方式配合了2个3-位的羧基上的O,一个4’-位羧基O和一分子的H2O。CC-7中Cd原子为六配位,相邻的两个Cd原子被3-位羧基上的2个O原子以双齿配位的方式连接的同时,又被另一个配体的4’-位羧基上的O原子以三连接面桥配位方式所连接,形成了一个二维的层状结构。CP-1是典型的柱层状三维网络结构,层与层之间的距离为一个配体的长度,约为12(?),该化合物具有很高的稳定性,可以稳定在470℃。同时,我们通过IR和XRD确定了单晶化合物CP-X,并通过系列实验发现,CP-X与CP-1在反应初期共存,随时间的延长显示不同的温度取向。
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