手性Ag5团簇及其组装材料的合成及光学性能研究

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圆偏振发光(Circularly Polarized Luminescence,CPL)材料在三维显示、信息加密、不对称催化等方面具有广泛的应用前景。币金属团簇由于具有原子结构精确、发光可调、功能可控等特性,是构筑圆偏振发光材料的理想基元。然而,币金属团簇中的铜纳米团簇稳定性较差,金纳米团簇成本昂贵,与其相比,银纳米团簇具有丰富的电荷转移途径,发光量子产率较高。因此,银纳米团簇是构筑圆偏振发光材料的理想选择。通过配位键将手性发光银团簇组装形成有序的框架结构是得到高效CPL材料的有效途径,一方面,发光银团簇在框架中的有序排列,可增加结构刚性,从而提高发光效率。另一方面,手性配体的有序排列,使CPL信号放大,以及手性配体诱导的手性银团簇的周期性排列,将提高CPL性能。基于此,本论文通过不同的合成策略构筑了 Ags团簇基自组装框架材料,并成功点亮了 CPL信号。主要研究内容如下:一、设计合成了一对新的手性配体(R/S)-3-巯基吡咯烷-1-羧酸叔丁酯(R/S-L),并利用该手性配体成功合成了一对具有微弱橙黄色发光的手性二维银簇基框架材料[NaAg5(R/S-L)6(H20)2(MeOH)]n(1a,S-L;1b,R-L)。结构分析表明,在化合物1a/b中手性Ag5团簇单元通过Na+桥联成二维框架结构,并采取正堆积模式形成三维多孔材料。有趣的是,在框架结构的孔道中包合着离散的手性Ag5团簇分子,这种在框架结构中包合簇的现象在晶态分子材料领域非常少见。随着溶剂分子的挥发,化合物1a/b发生相变,随即转变为具有亮绿色荧光的Na[Ag5(R/S-L)6](3a,S-L;3b,R-L),X-射线粉末衍射(PXRD)也进行了相应的证实。幸运的是,在合成中利用水合肼代替硼氢化钠得到了 3a/b的单晶。结构分析表明,3a/b中Na+脱离框架,无序分散在晶格中,Ag5结构单元的堆积方式也发生变化。为了进一步研究转变过程,我们通过变温单晶衍射测试及晶体浸泡实验捕捉到了中间产物Na[Ag5(S-L)6](2)。化合物2中Na+已脱离框架,而Ag5结构单元仍保持化合物1a中的堆积模式。因此,化合物2是结构转变中的动力学中间态,不能稳定存在,趋向于转变为热力学稳定的具有更密堆积模式的3a。稳定性较好的化合物3a/b展现出完美的镜像对称的圆二色(CD)及圆偏振发光(CPL)光谱,经计算CPL的不对称因子达到5×10-3。该工作对手性簇基自组装框架材料的制备提供了新的思路。二、利用一对手性(D/L)-青霉胺(D/L-Pen)配体、硝酸银及不同稀土离子组装得到了三对手性发光的三维簇基框架结构:[Na4Ag5(D/L-Pen)6Gd]n(4a,D-Pen;4b,L-Pen);[Na4Ag5(D/L-Pen)6Eu]n(5a,D-Pen;5b,L-Pen);[Na4Ag5(D/L-Pen)6Tb]n(6a,D-Pen;6b,L-Pen)。三对框架结构的簇基单元均是手性Ag5团簇。由于引入的稀土离子种类不同,三者的荧光也截然不同。化合物4a/b具有微弱橙黄色荧光;化合物5a/b具有红色荧光;化合物6a/b具有亮绿色荧光。这三对材料均具有光学活性,表现出镜像对称的CD信号。由于化合物4a/b和5a/b的发光较弱,未检测到CPL信号,而化合物6a/b具有较强的CPL信号,CPL不对称因子达到4×10-3。该工作为制备手性币金属团簇-稀土离子框架材料提供了思路和借鉴。
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