二维锌/镉配位聚合物的合成、结构及性质研究

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配位聚合物(coordination polymers,CPs)作为一类新型的多孔材料,具有比表面积大,孔隙率高,拓扑结构多变等特点,在气体吸附与分离、催化、磁性、生物医学、化学传感等方面具有潜在应用价值,已成为目前材料学和化学领域的研究热点。其中,发光CPs不仅显示出可调变的发光性能,还在化学传感方面显示出选择性、灵敏度高以及抗干扰能力强的优势,因而受到人们的普遍关注。在CPs的设计合成过程中,金属中心种类的改变,配体对称性、取代基团、尺寸等微小变化,均会引起CPs结构的改变,进而影响其发光性能。因此,合成具有可预测结构和可调孔道的发光CPs仍然非常具有挑战性。本论文中,我们选择d10组态的金属离子Zn2+或Cd2+为金属中心,大体积含氮多羧酸为桥联配体,在溶剂热条件下,合成新型发光CPs,研究合成条件改变对CPs结构和发光性质的影响,并探索这些新型发光CPs在荧光调变和传感金属离子、有机溶剂小分子、硝基爆炸物等方面的应用,为新型发光CPs的设计、合成与应用提供研究基础。主要研究成果如下:1.利用柔性的含氮三羧酸配体5-[(3-(4-羧基苯基)-1氢-吡唑-1-基)甲基]间苯二甲酸(H3L)与Zn(NO32·6H2O在溶剂热条件下合成了一个具有阴离子骨架的化合物[Zn(L)(H2O)]·(Me2NH2)·DMF(1)(DMF=N,N′-二甲基甲酰胺)。化合物1具有波浪状的二维层状结构,(Me2NH2+阳离子贯穿于菱形窗口中。化合物1具有良好的溶剂稳定性,并且表现出优异的荧光传感特性,能够选择性地检测Fe3+、Cr2O72-以及芳香硝基化合物,具有较高的灵敏度和选择性。由于化合物1具有阴离子骨架结构,我们以阳离子交换的的方式将稀土离子(Eu3+,Tb3+)封装到化合物1的孔道中,通过调变稀土离子的比例并改变激发波长,实现了白光和变光的荧光调变。而且化合物Tb3+@1能够通过荧光淬灭的方式检测有机溶剂小分子丙酮。2.分别以4,4’-联吡啶(4,4’-bipy)和对苯二甲酸(H2bdc)为辅助配体,将5-(4-吡啶)甲氧基间苯二甲酸(H2L)和Cd(NO32·6H2O在溶剂热条件下自组装合成了三个层状的Cd-CPs,[CdL(H2O)]·2H2O(2),[CdL(H2O)(4,4’-bipy)0.5]·H2O(3)和[CdL(H2O)2]·0.5H2bdc(4)。进一步研究表明,化合物2-4可在微波辅助溶剂热合成(MWAS)条件下被快速合成。相比于常规的溶剂热合成方法,MWAS方法大大缩短了反应时间并减小产物尺寸。化合物2中,相邻的两个Cd2+通过双齿螯合的方式与羧基桥连,形成双核[Cd2N2O10]次级结构基元,该双核基元通过L2-配体连接后形成具有菱形窗口的2D层状结构。在化合物3中,Cd2+连接L2-配体形成无限延伸的2D单层状结构,4,4’-bipy连接两个单层形成了一个有趣的二重互穿的二维结构,并具有菱形窗口。化合物4中,Cd2+与L2-连接形成一个二维层状结构,未配位的H2bdc贯穿在相邻层形成的四边形窗口中。化合物2-4具有良好的荧光性质,能选择性的传感水溶液中的Fe3+,显示出高的选择性和灵敏度,以及强的抗干扰能力,我们对其传感机理做了较为详细的讨论。此外,化合物3能够有效吸附水中的有机染料,可以用作潜在的染料吸附剂。
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