含有金属的甲基间苯二酚杯[4]芳烃穴状及笼状化合物的合成及性能研究

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本论文基于甲基间苯二酚杯[4]芳烃和金属离子Zn(II),通过调节桥连酸性配体的尺寸和角度,在溶剂热条件下自组装合成了一系列穴状和笼状化合物。通过X-射线单晶衍射确定了这些化合物的晶体结构,并通过X射线粉末衍射(PXRD)、热重分析(TGA)、元素分析和红外光谱(IR)等技术对其进一步进行表征。研究了化合物的合成条件,初步探索了酸性配体的结构对产物结构的影响。此外,根据化合物的结构特点及稳定性,对其吸附性质进行了深入研究。1.利用甲基间苯二酚杯[4]芳烃Me-TPC4R、Zn(II)和三种间苯二甲酸配体H2L1、H2L2和H2L3在溶剂热条件下合成了三种穴状化合物1a、1b和1c。[Zn4(Me-TPC4R)(L14]·6DMF·2H2O(1a)[Zn4(Me-TPC4R)(L24]·3DMF·H2O(1b)[Zn4(Me-TPC4R)(L34]·5DMF(1c)(H2L1=5-aminoisophthalic acid,H2L2=5-hydroxyisophthalic acid,H2L3=5-(pyridin-4-yl)isophthalic acid,DMF=N,N’-dimethylformamide).化合物1a、1b和1c同构,均为零维单分子,三者在结构上呈现出较好的柔性,并且这种改变是可逆的,在除去和引入外来客体分子的时候可以实现从“开放孔道”(open pore,op)到“狭窄孔道”(narrow pore,np)的转变。通过衍射实验和CO2气体吸附实验也证实了这一点。我们将实验研究与密度泛函理论(DFT)计算相结合,充分地阐明了这种新型的柔性多孔固体材料对外界刺激产生结构转变的作用机理。2.受穴状化合物合成的启发,我们通过合适的连接体将两个间苯二甲酸连接起来,合成了三种长度和角度不同的四元羧酸配体H4L4、H4L5和H4L6。在Zn(Ⅱ)的参与下,通过四元羧酸作为连接体将两个甲基间苯二酚杯[4]芳烃(Me-TPC4R/Pen-TPC4R)连接在一起,合成了三个笼状化合物2a、2b和2c。并在一定程度上实现了对分子笼尺寸的调节。[Zn8(Me-TPC4R)2(L44]·5DMF·20H2O(2a)[Zn8(Pen-TPC4R)2(L54]·7DMF(2b)[Zn8(Pen-TPC4R)2(L64]·6DMF(2c)H4L4=5,5’-methylene-bis(oxy)diisophthalic acid,H4L5=5,5’-(1,3-phenylenebis(methylene))bis(oxy)diisophthalic acidH4L6=5,5’-(1,4-phenylenebis(methylene))bis(oxy)diisophthalic acid我们以2a为代表,详细研究了笼状化合物的吸附性能。在77K下,2a的N2吸附为完全可逆的I型吸附行为,最大吸附量为320 cm3·g-1,表明2a中存在永久性的孔道。此外,2a对CO2和CH4具有较好的吸附效果,最大吸附量依次为257 cm3(STP)/g和157 cm3(STP)/g,这些数据表明该类笼状化合物在气体存储领域有潜在的应用价值,2a有潜力成为一种储存CH4的超分子多孔材料。3.利用甲基间苯二酚杯[4]芳烃Pen-TPC4R、Zn(II)和两种刚性四元羧酸配体H4L7和H4L8在溶剂热条件下合成了两个笼状化合物3a和3b。[Zn24(Pen-TPC4R)6(L712]·Xsolvents(3a)[Zn24(Pen-TPC4R)6(L812]·Xsolvents(3b)H4L7=3,3’,5,5’-azobenzenetetracarboxylic acidH4L8=p-terphenyl-3,3’’,5,5’’-tetracarboxylic acid与之前的合成的笼状化合物不同,这两个笼状化合物体积较大,3a和3b均是由6个甲基间苯二酚杯[4]芳烃、24个Zn(II)离子和12个刚性四元羧酸配体组成的变形八面体笼。其中,化合物3a对碘蒸气具有较强的吸附能力,在75℃的最大吸附量为1.42g/g,3a对溶解在正己烷中的碘也有一定的吸附能力,每个纳米笼大约可以容纳12.2个碘分子。
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