基于四齿配体的配位聚合物的合成、结构及性能研究

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近些年来,随着配位聚合物晶体工程的迅速发展以及合成、表征技术的提高,通过有机配体与金属离子的配位自组装或可控组装来构筑各种各样的新型功能配位聚合物的研究成为当今化学、材料科学等领域的前沿研究课题。此类课题的研究不仅有利于获得新颖结构的配位聚合物,更重要的是其可能在光学、电学、磁学、催化、分子识别、离子交换以及气体储存等领域展现出潜在的应用前景。配位聚合物的构筑需要把有机配体的形状和不同配位特征的配位原子与具有不同配位倾向性的金属离子综合考虑。配合物的设计与合成最主要的目的就是通过组装预先设计的结构单元来控制最终产物的结构和性能,达到定向合成功能配位聚合物。含有芳香环的柔性配体,因其“柔中有刚”的特点赋予此类配体特殊的配位连接性质,对于构筑新奇结构的配位聚合物具有很好的导向作用。具有较大空间和长度的四齿配体的运用可以更容易形成四节点的类分子筛骨架结构,产生多孔结构,从而可能具有优良的性能。本论文的主要工作是设计了“柔中有刚”、具有较大空间和长度的含氮或者羧酸四齿配体,通过与不同金属离子组装生成系列新型配合物,并对其性能做了详细测试和研究。  全文共分四章:  第一章绪论介绍了以不同构型的四齿配体构筑的配位聚合物的研究进展,着重从非线性光学和铁电及贮氢和复合型分子基材料四方面探讨了功能配位聚合物的性质及潜在应用,最后对本论文的选题意义及主要研究结果进行了简述。  第二章、基于四齿含氮配体的配位聚合物的合成与表征本章介绍了以柔性的四齿含氮配体为基本构筑单元,结合不同的刚性羧酸配体合成了五种配合物。用tetrakis(4-pyridyloxymethylene)methane(TPOM)和D-樟脑酸与锌和镉离子溶剂热组装合成了手性配位聚合物M2(TPOM)(D-Cam)2(H2O)2(M=Zn,1;Cd,2)。其中1和2是同构的,Zn(Ⅱ)是四配位的,Cd(Ⅱ)是六配位的,但是Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)都是四节点的。其中具有四面体构型的TPOM与金属离子连成二维的波浪型网状结构,而D-樟脑酸与金属离子则连接成左旋的螺旋链,这种螺旋链通过共用金属离子穿梭在TPOM与金属离子交织的波浪型网状面之间形成开放式的三维骨架。圆二色谱和单晶测试表明配合物1和2是纯手性的,属于手性空间群P21212,含有两重穿插的石英拓扑结构,并且具有非线性光学活性和良好的热稳定。用TPOM和对苯二甲酸与镉金属盐溶剂热组装合成了配合物3。微孔配合物3中对苯二甲酸与镉离子连接成双核镉形成二维平面,TPOM垂直这个平面通过共用镉离子连接成三维结构。双核镉离子为八配位,但是由于TPOM的四个吡啶环是共面的所以可简化成一条直线,这样整个TPOM分子就简化为一条直线,整个骨架结构就简化成了双核镉离子是六配体的简单立方结构,即为两重穿插的pcu拓扑结构。骨架中在c轴方向存在大小不同的长方形孔道。用TPOM和均三苯甲酸与锌金属盐溶剂热组装合成了层状配合物4。配合物4的最小不对称单元包含了两个配位的均苯三甲酸,一个游离的均苯三甲酸和TPOM分子。其配位的均苯三甲酸只有两个羧基与锌离子配位形成了四方格子的平面结构,另一个游离的均苯三甲酸与配位的均苯三甲酸平行,而TPOM的一个吡啶环则夹在平行的均苯三甲酸苯环之间。TPOM和镉离子直接组装生成了配合物5配合物5中的TPOM和镉离子都是四配位的,TPOM为四面体构型,两个镉离子可近似为平面四边形构型,整个骨架是一个4,4连接的具有PtS拓扑结构的三维构型。  第三章、基于四齿羧酸配体的配位聚合物的合成与表征本章介绍了以柔性的四齿羧酸tetrakis[4-(carboxyphenyl)oxamethyl]methane acid(H4L)为基本构筑单元,与不同的金属离子组装生成了具有不同功能的配位聚合物[Co3L2](DMF)8(H2O)13(6)、[Cu2(L)(H2O)2]·(DMA)4(H2O)2(7)或[Cu2(L)(H2O)2]·(H2O)6(7)、[Zn4((L2)(H2O)3(DMA)·2H2O]n(8)和Cd2L(DMA)2(H2O)2(9)。四齿羧酸HaL和辅助配体4,4-bipy与钴离子组装生成Co2L(4,4bipy)2(H2O)2(10)。其中配位聚合物6具有由八连接的三核钴和四连接的四齿羧酸组成的氟化钙拓扑结构,整个骨架具有较低的骨架密度(孔隙率达55.8%),磁性测量数据表明其三核钴之间是弱铁磁性偶合。配位聚合物7和7是同构的,只是孔道中的溶剂分子不同。配合物7中的浆轮状双核铜是平面的四连接结构,四齿配体是四面体形的四连接结构,整个骨架形成了双节的PtS拓扑结构。此外,配位聚合物7是具有较大孔道(孔隙率达48%)的吸附材料,对N2和H2有较好的吸附性能,对CO2有很好的吸附而对CH4气体吸附很少,可以对混有CO2的CH4气体进行提纯。配位聚合物8和配位聚合物9均属于非心空间群,其中配位聚合物8的最小不对称单元中存在配位环境不同的两个配体,属于少见的sxa空间群,而配位聚合物9中的镉离子是二连接的,整个骨架可以看作七重穿插的dia拓扑结构。配合物8和配合物9均具有二阶非线性光学性质,并且具有良好的热稳定性,其中配位聚合物8可以稳定至430℃,还具有铁电性质。配合物10属于三斜晶系,双核钴结构呈现平面四边形,配体H4L呈现变成的四面体构型,4,4-bipy与钴离子相连,整个骨架也是PtS拓扑结构。  第四章结论最后对整个论文的工作内容进行简要的概括,对本合成体系进行了一点探讨以及本体系的工作展望。
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