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应用超分子化学原理,设计适当的超分子构筑块,制备新型的功能材料是当前化学、生命科学、信息科学、材料科学等领域的研究热点。冠醚是一类结构特殊、具有与天然蛋白质功能相似的有机环状化合物。作为第一代主体化合物,它们不仅在分子识别的研究领域内占有重要地位,而且也是目前分子组装领域内的热点研究课题。其中,以冠醚阳离子为构筑块而组装的有机-无机杂化的冠醚-金属配位聚合物在晶体工程、离子通道、分子(离子)器件等方面展示了广阔的应用前景。
二环己基18-冠-6是一种脂肪族冠醚,在极性、非极性溶剂中皆有较大的溶解度,并且有多种同分异构体,用途较为广泛,一直是冠醚领域研究的重要内容之一。多年来,人们对其配合物的研究多注重于其溶液的性质,而固态结构的研究相对较少;在其固体配合物的研究中,又多集中于萃取物或者简单配合物的结构分析,而具有结构表征的由其配阳离子与金属配阴离子构筑的配合物较少,关于此类配合物的固态性质如热分解、电化学等方面的研究更是寥寥无几。
出于以上考虑,我们以[M(DC18C6)]z+配阳离子为“砌块”,与过渡金属配阴离子相结合,设计、合成了三个系列的有机-无机杂化的冠醚-金属配位聚合物,主要工作有:
1.研究了二环己基18-冠-6与M1n[M(mnt)2](M1=K,Na;M=Ni,Pd,Pt,Cu,Cd;n=1,2)的合成反应,得到了[K(DC18C6-A)]2[Ni(mnt)2],[K(DC18C6-A)]2[Pd(m-nt)2],[K(DC18C6-A)]2[Pt(mnt)2],[K(DC18C6-A)]2[Cu(mnt)2],[Na(DC18C6-A)]2[Pd(m-nt)2],[Na(DC18C6-A)]2[Pt(mnt)2],[Na(DC18C6-A)(H2O)]{[Na(DC18C6-A)][Cd(mnt)2]},[K(DC18C6-A)]2[Cd(mnt)2],[K(DC18C6-B)]2[Ni(mnt)2],[K(DC18C6-B)]4[Pt(mnt)2]2,[Na(DC18C6-B)(H2O)][Na(DC18C6-B)][Ni(mnt)2]和[Na(DC18C6-B)][Ni(mnt)2]等十二个新的配合物。通过红外、紫外、元素分析、X-射线单晶衍射等方法对这些配合物进行了表征与结构研究;利用TG-DTG技术和CV方法测定了部分配合物的热分解和电化学行为。结构分析表明,(1)配体的空间位阻直接影响DC18C6-A配阳离子中金属离子的配位构型,进而影响整个配合物的组装取向;(2)在冠醚配合物中,[M(mnt)2]z-作为多齿配体表现出多种配位模式;(3)在配合物的组装中,M1-N配位键为较广泛采用的超分子组装驱动力,但在个别配合物中又存在不常见的Pt·K弱相互作用;(4)在某些冠醚配合物中也存在[Ni(mnt)2]-配阴离子之间的堆积作用,该堆积模式为不常见的正交等距离堆积。热分析表明,对大部分配合物而言,分解的第一阶段是逸出整分子的冠醚,但是个别的配合物是以小分子形式将冠醚分子逐步释放。电化学分析表明,对于含平面性较好的[M(mnt)2]z-配阴离子的配合物,在0~2V范围内皆出现了一对可逆或准可逆的氧化还原峰和一个不可逆的氧化峰,它们分别相应于[M(mnt)2]-/[M(mnt)2]2-和[M(mnt)2]0/[M(mnt)2]-之间的电荷转移。
2.研究了二环己基18-冠-6与M12[M(i-mnt)2](M1=Na,K;M=Ni,Pd,Pt)的合成反应,得到了[Na(DC18C6-A)]2[Ni(i-mnt)2],[Na(DC18C6-A)]2[Pd(i-mnt)2],[Na(DC18C6-A)]2[Pt(i-mnt)2],[K(DC18C6-A)]2[Ni(i-mnt)2],[K(DC18C6-A)]2[Pt(i-mnt)2],[K(DC18C6-B)]2[Pd(i-mnt)2]等六个新的配合物。通过红外、紫外、元素分析、X-射线单晶衍射等方法对这些配合物进行了表征与结构研究;利用TG-DTG技术和CV方法测定了部分配合物的热分解和电化学行为。结构分析表明,(1)K与Na的不同,并没有影响到该类配合物的自组装取向;(2)配体i-mnt在这几个配合物中皆采用{S,S,N,N}四原子配位模式;(3)配阴离子[M(i-mnt)2]2-中的π电子体系均有一定程度的离域。热重分析表明,配合物分解的第一阶段皆为冠醚分子的整体逸出。电化学分析表明,这些配合物在-2~2V范围内未发生任何可逆的氧化-还原过程。
3.研究了二环己基18-冠-6与M1n[M(SCN)m](M1=K,Na,NH4,Ba,Pb;M=Pd,Pt,Au;n=1,2;m=2,4,6)的合成反应,得到了[K(DC18C6-A)]2[Pd(SCN)4],[K(DC18C6-A)]2[Pt(SCN)6],[K(DC18C6-B)][Au(SCN)2],[Na(DC18C6-A)]2[Pd(SCN)4],[NH4(DC18C6-A)]2[Pd(SCN)4],[Ba(DC18C6-A)(H2O)][Pt(SCN)4]和[Pb(DC18C6-A)(H2-O)][Pd(SCN)4]等七个新的配合物。通过红外、元素分析、X-射线单晶衍射等方法对它们进行了表征与结构研究。分析发现,(1)SCN-基团在配合物中表现为{S},{S,N}和{S,S,N}的配位模式;(2)冠醚分子所螯合金属离子的电荷数、冠醚分子的取代基效应等因素在该类配合物的超分子自组装中起着非常重要的作用。
对这类有机-无机杂化的冠醚-金属配位聚合物的合成反应、自组装规律以及某些性能的探讨,不但丰富了冠醚化学的研究内容,而且为有目标地设计、合成和寻求新型的功能材料积累了一定的科学研究数据。