基于氮杂环和羧酸配体构筑的配位聚合物的合成、结构及其性能研究

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配位聚合物是通过金属离子(或金属簇)与有机配体自组装形成的具有高度有序的周期性网络结构的化合物。其在气体吸附、分离、传感、荧光和催化等方面都具有潜在的应用前景,近年来受到广泛关注并成为配位化学研究热点之一。因为在配位聚合物自组装过程中,有机配体和金属离子的对产物的最终结构有决定性作用,所以有机配体和金属离子的选择甚为关键。因此,本课题选用3,3’-二(1,2,4-三唑)-5-吡啶(H2L)、2-氨基对苯二甲酸(H2L1)、2,5-噻吩二羧酸(H2L2)、2,5-二(2,4-二羧基苯)吡啶(H4bcpb)、1,3-双咪唑苯(bix)、1,10-邻菲罗啉(phen)和4,5-咪唑二羧酸(H3IDC)为原料,在溶剂热的合成条件下,设计合成了11例配位聚合物。对它们的晶体结构进行了解析,通过粉末、热重、元素分析和红外光谱对晶体结构进行了表征,并选择性的对部分晶体的荧光和吸附性能进行了初步研究。所得配合物作为新型的荧光和孔材料具有潜在的应用价值。  全文分为三部分:  第一部分为引言,介绍了该领域的研究进展,对具有代表性的配位聚合物进行了简要的介绍,并阐述了本论文的选题意义。  第二部分包括第二章到第四章,主要介绍了实验仪器和测试条件,以及配位聚合物的合成,结构和性能。主要内容如下:  1.选用Zn(NO3)2·6H2O和bix配体在EtOH溶剂热条件下自组装合成了化合物 Zn2(bix)2(COO)4(1)。单晶结构解析表明化合物1属于单斜晶系,空间群为P2(1)/n。化合物1是零维结构,bix配体作为二齿桥联配体连接两个Zn(II)离子形成金属大环二聚体,且相邻的二聚体环通过π-π作用形成超分子结构。此外,还对化合物1的荧光性能进行了研究,结果表明在360nm光的激发下,化合物1的最大发射波长为450nm。  2.选用MnSO4·H2O和H2L在DMF/H2O混合溶剂下合成化合物Mn2L2(H2O)2·(DMF)(2)。单晶结构解析表明化合物2属于正交晶系,空间群I41/a。化合物2是具有一维孔道的三维网络结构,孔道中有很多没有配位的氮原子。通过PLATON计算,化合物2的孔隙率达49.7%,并对该配合物进行了N2和CO2的吸附测试。在744.6mmHg条件下,N2的最大吸附量为116.45cm3/g,相应的朗缪尔和BET比表面积分别是326.25和232.48m2/g。在零摄氏度下,CO2吸附焓达39.1kJ/mol,结果表明不饱和氮位点可以显著增加主体框架与客体分子CO2之间的作用力。  3.选用Ln(NO3)3·6H2O,H4bcpb在EtOH/DEF混合溶剂下合成化合物Ln(bcp)0.5(NO3)(DEF)2{Ln= Y(3),Tb(4),Eu(5)}。单晶结构分析表明化合物3-5为异质同构配合物,属于单斜晶系,空间群P21/c的二维层状结构。以化合物3为例,每一个配体通过四个螯合配位与两个单齿配位形成μ6配位模式。每一个Y3+被三个配体相连,并与相邻的单元形成二维层状结构。相邻的层与层之间通过–ABAB-的堆积形式形成三维结构。拓扑分析表明,把Y(III)看作一个节点,则整个框架可以被看成是3,6连接的kgd拓扑网络,拓扑符号为(43)2(466683)。此外,还对化合物3-5以及H4bcpb配体的荧光性能进行了研究。  4.当把H4bcp换成H2L1配体时,得到了三个结构新颖的化合物Ln2(L1)3(DMF)4{Ln=Er(6),Tb(7),Eu(8)},单晶结构解析表明化合物6-8为异质同构配合物,属于三斜晶系,空间群P1的三维网络结构。双核的Er单元通过(k’-k’)-μ2-L12-连接成一维链,相邻的链与链之间通过(k’-μ2)-(k’-μ2)-μ4-L12-形成二维层状结构,相邻的层与层再通过(k’-k’)-(k’-k’)-μ4-L12-形成具有一维孔道的三维网络结构。经过PLATON计算,孔隙率为21%。当把单个Er(III)离子作为节点,则整个框架可以简化成xah(426282)(4664)拓扑结构。此外,还对化合物7,8以及H2L1配体的荧光性能进行了研究。  5.选用H3IDC和phen混合配体与AgNO3在DMF溶剂条件下合成化合物Ag(H2IDC)(phen)(9)。单晶结构分析表明化合物9属于单斜晶系,空间群为P21/n。所有的中心原子和配体都在同一个平面上,形成平面四边形的零维结构,并通过C(2)–H(2A)…O(4)分子间氢键形成一维的链状结构,链与链则通过咪唑环与邻菲罗啉环之间的π-π作用形成三维的超分子结构。  6.选用H2L2和bix混合配体与Zn(NO3)2·6H2O在DMF溶剂条件下,通过调控bix配体的用量合成两例结构新颖的化合物Zn(bix)(L2)(10)和Zn(bix)(L2)(11),单晶结构表明化合物10和11都属于单斜晶系,空间群为P21/c。化合物10和11都是通过四配位的Zn(II)离子与L22-配体连桥联形成S形一维链,链与链之间则进一步通过bix配体桥联形成了不同结构的二维层。化合物10形成的是无孔的波浪形的二维层状结构,而化合物11所形成的是有孔的方格状的二维层结构,且孔隙率达37.2%。  第三部分对本论文的工作总结与展望。  附录收集本论文晶体的原子坐标,温度因子和主要键长键角。
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