羧基桥联金属—有机配位聚合物的合成与表征

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近年来,配位聚合物晶体材料的设计、合成、结构及性能研究十分活跃。而其中有机羧酸为构筑基块组装新型的金属有机配合物已成为人们研究的热点。由于羧酸化合物具有丰富的配位结构类型: 1)单齿配位;2)螯合双齿配位;3)双齿配位;4)桥联单齿配位;5)螯合、桥联多齿配位,被广泛用做次级构筑单元(Subunit)来制备新型的超分子配位聚合物。这些超分子配合物往往具有新颖的拓扑结构和广阔的应用前景,例如在催化、医药、光电、磁性及多孔材料等方面的应用。因此,系统地研究配合物的合成与晶体结构,探索各种影响因素,不仅可为设计和合成各种功能材料提供切实可行的途径,而且可为新兴的超分子化学与晶体工程理论提供可靠的理论依据。本论文利用羧酸化合物,如,芳环多元酸:5-硝基间苯二甲酸(O2N-H2BDC)、5-氨基间苯二甲酸(H2N-H2BDC);二氮杂环二羧酸:4,5-咪唑二羧酸(H3IDC),引入稀土金属、d10金属、顺磁性金属等,或者再辅以含氮杂环中性桥联配体,在水(溶剂)热条件下,组装得到系列新型的配位聚合物,并对它们的结构和性质进行了系统的研究。另外,小肽和水杨醛(或其衍生物)形成的希夫碱单核配合物具有末端未配位的羧基氧和酰胺基氧,可以作为合成多核配合物的前驱体。因此,本论文还用三肽与水杨醛(或其衍生物)缩合而成的希夫碱与铜形成一系列的单核铜希夫碱配合物[CuL]-,并用它们作为“配合物配体”和过渡金属进一步配位设计合成了一系列的异多核配合物。本论文在合成方法上,采用水热法和常规溶液挥发两种方法,主要包括以下几个部分:1.用5-硝基间苯二甲酸作为主配体,辅以含氮杂环中性桥联配体,如刚性配体4,4’-联吡啶(4,4’-bpy),邻菲咯啉(1,10’-phen),柔性咪唑类配体1,4-二咪唑丁烷(bbi),水热条件下成功合成了四种稀土配合物1-4。化合物[La(O2N-BDC)(O2N-HBDC)(bbi)0.5]n (1) ,化合物[Gd(O2N-BDC)(O2N-HBDC)(4,4’-bpy)0.5]n (2),都是由O2N-H2BDC和稀土金属离子配位得到的二维层状配位聚合物。bbi,4,4’-bpy作为混配,并没有直接与金属配位,而是以游离分子位于配合物的层与层之间。化合物[Yb2(O2N-BDC)3(phen)2]n (3),化合物{[Gd2 (O2N-BDC)3(phen)2]2·0.5(CH3OH)·0.5(H2O)}n (4),都是具有双核的三维网状结构。但是3为P21/n空间点群,而4则是P1空间点群,这是由于O2N-H2BDC与金属离子的配位方式不尽相同所致。2.用5-氨基间苯二甲酸作为桥联配体,利用水热方法,得到两个具有相似结构的稀土配合物: {[Ce2(H2N-BDC)3(H2O)2]·1.75(H2O)}n (5)和{[Eu2(H2N-BDC)3(H2O) 2]2·3(H2O)}n (6),5和6为异质同晶,空间点群为P1 ,具有双核的三维菱形通道结构。配体5-氨基间苯二甲酸中的羧酸表现出了丰富的配位模式,未参与配位的氨基和配位水分子、游离水分子位于通道中。化合物6具有良好的荧光性能。3.用有机羧酸化合物,辅以含氮杂环中性桥联配体,如刚性咪唑类配体2,2’-联咪唑(BIM),柔性咪唑类配体1,4-二咪唑丁烷(bbi),水热条件下成功合成了两种含金属Cd离子的配位聚合物: [Cd(O2N-BDC)(BIM)(H2O)]n (7)和[Cd(HIDC)(bbi)0.5]n (8)。其中化合物7表现为一维双链结构,而链与链之间通过氢键作用形成二维层状结构。化合物8为二价Cd与H3IDC和bbi形成的配位聚合物,每个Cd(II)位于一个畸变的八面体几何中心,与三个HIDC2-相连,形成一个二维网格;另外,双齿配体bbi又将相邻的二维网格层与层连接起来,从而形成了具有孔洞结构的3-D超分子化合物。化合物8在多种溶剂中都不溶解,而且研究表明,它具有良好的热稳定性和荧光性能。4.用芳环羧酸化合物作为配体,水热条件下成功合成了两个具有二维层状结构的配位聚合物:[Ba(O2N-HBDC)2(H2O)2]n (9)和[Mn(H2N-BDC)(H2O)·2H2O]n (10)。在层与层间又存在氢键及π-π相互作用,从而得到两个三维的超分子聚合物。5.以甘三肽和水杨醛及其衍生物缩合与铜配位得到“配合物配体”[CuL]ˉ,进一步与过渡金属Cd2+、Co2+反应,得到异三核的化合物[Cd(H2O)2(CH3OH)2(CuL12]·2H2O(11)、[Cd(H2O)4(CuL22]·2(CH3OH)·2H2O(12)、[Co(H2O)4(CuL32]·4H2O(13),(H3L1=甘三肽水杨醛希夫碱、H3L2=甘三肽3-甲氧基水杨醛希夫碱、H3L3=甘三肽5-溴水杨醛希夫碱)。化合物11-13通过氢键或弱相互作用连接成超分子结构,两个[CuL]ˉ作为单齿“金属配体”以顺-反桥联方式各用一个羧基氧与金属离子M2+(M= Cd, Co)配位,M2+都为六配位接近于八面体构型,11中其余配位位置分别由两个水分子和两个甲醇分子中的氧原子占据,12、13中其余配位位置都由水占据。[CuL]ˉ与M2+配位形成了一个中心对称的三核配合物。通过元素分析、X-单晶衍射、红外、紫外、热重、荧光等对其表征,初步研究了它们的结构和性质。
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