镁、锂基配位聚合物的设计合成与性能研究

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配位聚合物(简称配聚物)兼备了无机和有机的物理化学性质,在能源和环境材料中展现出广阔的应用前景。主族镁和锂具有质量轻、储量丰富、环境友好等诸多优点。将镁或锂离子应用于配聚物的构筑是获得结构新颖、性能优良、成本低廉、生物相容性好的化合物的一个有效途径。本论文的工作围绕含Mg(Ⅱ)或Li(Ⅰ)离子的金属配聚物的合成与性能研究展开,通过溶剂热法合成和表征了20例Mg(Ⅱ)、Li(Ⅰ)基单金属/异金属配聚物,研究了各种反应条件对化合物结构的影响规律,重点研究了部分化合物的二阶非线性光学、荧光及磁性能。20例化合物分别如下:  3D-Mg2(TDC)2(EG)2.5·0.5EG(3-1)  3D-Mg(TDC)(DMSO)(3-2)  3D-(Me2NH2)[(Mg2(TDC)2(Ac)]·1.5DMA·0.5H2O(3-3)  2D-[Mg2(TDC)2(DMF)2(EtOH)(H2O)2]·DMF(3-4)  3D-Mg(TDC)(DMF)(3-5)  3D-[Mg3(TDC)3(DMF)2(H2O)]·2H2O(3-5')  3D-MgLi2(3,5-PDCH)2(DMF)2(4-1)  3D-CoLi2(3,5-PDCH)2(DMF)2(4-2)  3D-Co0.56Mg0.44Li6(3,5-PDCH)6(DMF)6(4-3)  3D-Co0.26Mg0.74Li2(3,5-PDCH)2(DMF)2(4-4)  3D-ZnLi2(3,5-PDCH)2(DMF)2(4-5)  3D-α-[ZnLi2(3,5-PDCH)2]·2DMF(4-6)  3D-β-[ZnLi2(3,5-PDCH)2]·2DMF(4-7)  3D-BaLi2(3,5-PDCH)2(DMF)2(5-1)  3D-SrLi2(3,5-PDCH)2(DMF)2(5-2)  3D-[Ba3Li6(3,5-PDCH)6(DMF)2]·2DMF(5-3)  2D-(Me2NH2)3[BaLi(2,6-PyDC)3(H2O)](5-4)  3D-[Ba0.375Li(4,5-ImDCH)0.75(4,5-ImDCH2)0.25]·0.125H2O(5-5)  3D-Ba(4,5-ImDCH)(DMF)(5-6)  3D-Li2(4,5-ImDC-Me)(5-7)其中,H2TDC=噻吩-2,5-二羧酸;3,5-PDCH3=吡唑-3,5-二羧酸;2,6-PyDCH2=吡啶-2,6-二羧酸;4,5-ImDCH3=咪唑-4,5-二羧酸;4,5-ImDCH2-Me=1-甲基-4,5-咪唑二羧酸;EG=乙二醇;DMSO=二甲亚砜;DMA=N,N'-二甲基乙酰胺;DMF=N,N'-二甲基甲酰胺;EtOH=乙醇;Ac=乙酸根离子。  化合物3-1~3-5是由Mg(NO3)2·6H2O与2,5-噻吩二羧酸配体在不同溶剂中构筑的结构。溶剂分子在结构的构筑中起到重要的作用。在3-1中,EG分子作为桥连配体将[Mg-TDC]的二维(2D)层连接形成三维(3D)结构;在3-2和3-3中,溶剂分子DMSO和DMA分解所得的Ac-离子以μ2-方式配位,起到连接Mg2+形成1D链状构筑单元的作用;更为有意义的是,在层状结构3-4中,多种配位的溶剂分子,DMF、乙醇和水协同诱导了结构的对称性破缺;而在3-5中,端基配位的DMF分子起到饱和多余的Mg2+配位点,促进成晶的作用。化合物3-5'是由3-5经热处理脱溶剂过程得到的,其间发生了单晶-单晶的结构转化,二者具有相似的次级构筑单元(SBU)、三维骨架及对称性,区别在于3-5的SBU中一个端基配位的DMF分子被3-5,的SBU中一个端基水分子和两个晶格水分子取代。研究了这些化合物的荧光性能,其中化合物3-3具有较强的蓝光发射。化合物4-1~4-5是通过Li(Ⅰ)、Mg/Co/Zn(Ⅱ)与吡唑-3,5-二羧酸配体在DMF溶剂中构筑的五例同构的含Li(Ⅰ)异金属配聚物,其中,化合物4-3和4-4是Mg(Ⅱ)与Co(Ⅱ)以不同比例掺杂的三金属结构。它们的结构中均包含三核的异金属[LiMLi](M=Mg(4-1),Co(4-2),Co/Mg(4-3,4-4),Zn(4-5))SBU,配体羧基连接SBU形成1D链,每条链再通过配体桥连周围的四条链形成3D框架结构。这类化合物的获得显示出Mg(Ⅱ)与过渡金属离子Co(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)在配位特点上的相似性。对其中Co(Ⅱ)与Mg(Ⅱ)掺杂的两个化合物4-3和4-4进行了磁性测试,发现二者具有类似的磁行为。化合物4-6和4-7互为同分异构体,它们具有相似的异金属SBU,却具有完全不同的3D骨架。  另外,通过溶剂热法将Ba(Ⅱ)/Sr(Ⅱ)、Li(Ⅰ)与含N羧酸配体在DMF溶剂中反应,成功获得了一系列含Ba(Ⅱ)/Sr(Ⅱ)和Li(Ⅰ)的NCS-CPs,发展了一种新的构筑NCS-CPs的策略。其中的异金属结构5-1~5-5代表了含Ba/Sr(Ⅱ)和Li(Ⅰ)的异金属非心配聚物的首次合成。除了化合物5-4外,其余六例化合物的结构具有一个相同的特点,即[M(OxNy)](M=Ba,Sr)和[LiOxN4-x]的配位多面体都通过共顶点或共边直接相连,使结构的无机部分(M-O/N)均具有1D以上的结构。化合物5-1~5-3是基于吡唑-3,5-二羧酸配体构筑的配聚物,5-1和5-2为同构结构,是由配体连接[BaLi]异金属链形成的3D框架结构;5-3可以看作“柱层式”结构,也存在1D的[BaLi]异金属链。化合物5-5~5-6的配体是咪唑-4,5-二羧酸。5-5是异金属结构,需要注意的是,Ba(Ⅱ)的位点为不完全占据,其与一个晶格水表现为占有率无序;化合物呈3D结构,可以简化为diamond型拓扑骨架,配体嵌于骨架中。5-6是单金属Ba(Ⅱ)基结构,其中,[BaO8N]配位多面体以共面相连形成1D链,每条链通过配体连接周围四条链形成最终的3D结构。5-7是由Li(Ⅰ)与1-甲基-4,5-咪唑二羧酸配体(咪唑-4,5-二羧酸N上的H被-CH3取代)构筑的单金属结构,其无机部分具有与5-5类似的diamond型拓扑骨架。化合物5-4是由吡啶-2,6-二羧酸配体构筑的阴离子型层状结构,二甲胺阳离子[Me2NH2]+作为抗衡离子居于层间;与其它六例结构不同的是,[BaO6N3]和[LiO4]的配位多面体都是分立的,结构中存在一种经典的构筑单元[Ba(2,6-PyDC)3],为一种扇状的手性单元,[Ba(2,6-PyDC)3]与Li(Ⅰ)分别作为三连接结点彼此相连形成2D层,层间再通过超分子相互作用堆积形成最终的结构。我们研究了这些化合物的二阶非线性光学性能和荧光性能,发现多数化合物都具有较强的倍频效应,其中5-5具有5倍于KDP的响应强度,而且表现出相位匹配行为。化合物5-4~5-7都具有很强的蓝光发射,其量子产率最高可达16.26%。我们还对化合物5-1和5-2进行了基于密度泛涵理论的电子能带和态密度的计算,结果表明,配体的羧基对化合物的倍频效应具有主要贡献,而且,带隙值和倍频系数的理论值与实验值都吻合较好。
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