基于稀土金属和吡啶二羧酸配合物的合成、结构及性能研究

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随着超分子化学和晶体工程的迅速发展,运用无机合成与制备化学的手段合成晶体材料受到了研究人员的广泛关注,为研究新的稀土功能材料提供了新的方法和思路。相对于其它金属,稀土金属在配位过程中具有灵活的配位数(8-12)和配位模式。不同的稀土金属具有不同的4f电子,使其表现出了与主族金属以及d区元素迥异的化学性质,并在光、电、磁、有机催化转化、生物医用材料方面表现出了可观的应用前景。稀土离子较容易跟常见的含氧和含氮的配体发生配位,根据路易斯酸碱理论,稀土属于硬酸,因此它更趋向于与含氧的配体配位,如有机羧酸类。同时含O、N配位原子的2,6-吡啶二羧酸由于其刚性和平面性,以及其通过羧基形成氢键的能力,在稀土-有机框架杂化配合物的构筑中具有突出的桥联作用。稀土-有机框架杂化配合物所具有的独特的光学性能及磁性,在材料学、生物学等领域引起了广泛的关注。本文以2,6-吡啶二羧酸为有机配体,通过加入不同的稀土金属和过渡金属铜,同时引进邻菲罗啉,成功合成出三种新型的稀土金属有机-无机杂化配合物,此为本论文的创新点一;在上述工作基础上,将具有储电子能力的杂多酸置换有机配体邻菲罗啉,合成出四种含吡啶羧酸和无机杂多酸的新型稀土杂化配合物,通过研究它们的结构来探索其性质及应用。此为本论文的创新点二。具体研究结果如下:1、以2,6-吡啶二羧酸、邻菲罗啉为有机酸配体,分别引入稀土离子和碘化亚铜,通过研究不同的物料比、反应温度、反应时间和体系p H值,确定了最佳合成条件,成功地合成了一系列结构新颖的二维Cu(Ⅱ)-Ln(Ⅲ)异核有机框架化合物[Ln(pydc)3Cu2(phen)4]·I(Ln=La(1),Nd(2),Dy(3);pydc=2,6-吡啶二羧酸;phen=邻菲罗啉)。[Ln(pydc)3]与[Cu(phen)2]组成结构单元,通过Cu-O键和π···π堆积作用构建了一个十二核簇。这些团簇进一步堆叠成具有纳米级空腔的三维框架。电化学分析表明:CV曲线形状几乎可以保持,表明电化学过程具有良好的稳定性。2、以三缺位硅钨酸为模板剂,2,6-吡啶二羧酸为有机多齿配体,加入稀土钕或镨盐,在水热条件下合成了两个结构新颖稀土金属有机框架化合物[Ln(pydc)(H2O)4]4Si W12O40·x H2O(Ln=Pr(4),Nd(5);x=4.51,4.64)。这两个化合物是同构型的,均具有三维的GIS(Gismondine)拓扑结构类沸石阳离子框架。Keggin型硅钨酸居于纳米尺寸的笼状结构中,并与阳离子框架之间存在较强的静电相互作用和氢键作用。磁性测试表明化合物5中的钕离子之间存在微小的磁各向异性。荧光分析表明:这两个化合物是基于配体产生的荧光,这可能是由金属向配体发生的电荷转移跃迁引起的。3、以水合硅钨酸为模板剂,2,6-吡啶二羧酸为有机多齿配体,分别加入硝酸铜、稀土钕或钐盐,水热条件下合成了两个结构新颖的稀土-过渡金属异核多酸配合物[Ln(NH4)(H2O)9][Cu(pydc)(H2O)]3[Si W12O40]·15H2O(Ln=Nd(6),Sm(7))。稀土离子作为抗衡离子与硅钨酸阴离子通过静电相互作用连接。在Keggin硅钨酸阴离子的模板效应下,大位阻的硅钨酸阴离子阻碍了铜离子形成常见的六配位模式,而是以五配位模式存在。光催化分析表明:两个化合物具有一定的催化降解能力。
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