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氢键是一种广泛存在的分子间相互作用力,在超分子化学、分子识别和晶体工程领域中占有很重要的地位。胍鎓离子及其衍生物上的氢原子多,拥有良好的定向性和形成多重氢键的能力,诸多的优点使其在主客体化学中成为一个研究热点。
与胍鎓离子多氢键给体相对应的有机多羧酸配体具有强的接受氢原子形成氢键的能力,因而,以上述两种组分构筑主体晶格,季胺阳离子充当客体可以构筑出新颖的包合物,并以此来研究不同取代基的胍鎓衍生物、有机羧酸配体及季铵阳离子三者对于包合物结构的影响。
本论文通过溶液法成功地合成了10个含胍基衍生物的包合物,并利用X射线单晶衍射来测定它们的晶体结构。研究结果表明,胍鎓离子上的一个氢被其他基团取代形成胍基衍生物后仍具有强的氢键结合能力。烷基胍鎓离子与烷基双胍鎓离子相比,双胍鎓离子上具有两个胍基,拥有10个氢原子,因而比前者氢键结合能力更强,形成更加丰富的氢键网络。另外,本文还探讨了有机羧酸上的不同取代基及其位置的改变对于主体晶格结构的影响,对于新颖包合物的合成和设计具有一定的参考价值。
本论文第1章为引言,主要介绍超分子化学、包合物化学、氢键等方面的研究进展及本论文的选题依据。第2章以胍鎓和烷基胍鎓离子为主体组件,选用苯甲酸衍生物和季铵阳离子作为客体模板,成功得到了4个包合物:
(n—Bu)4N+·[C(NH2)3]+·[5-OH-1,3-C6H3(COO—)2]·2H2O(1)
(n—Bu)4N+·[CH3(CH2)2NHC(NH2)2]+·2[p—OHC6H4COO—]·2H2O(2)
(n—Bu)4N+·1,4-C6H4(COOH) COO—(3)
(n—Bu)4N+·[CH3(CH2)2NHC(NH2)2]+·[1,4-C6H4(COO—)2]·2H2O(4)
包合物1是采用胍鎓离子和5-羟基间苯二甲酸作为主体组件,包合物Ⅰ具有与其相同的主体组件,由于客体的不同,前者形成层状的主体晶格,后者则形成管道结构,表明了客体对于包合物形成具有一定的影响。为了考察不同取代基的胍鎓阳离子对于主体氢键网络构筑的影响,我们改用丙基胍鎓来代替胍鎓离子。包合物2管道结构的成功构筑表明了烷基取代的胍鎓离子同样具有很强的形成氢键的能力。进一步研究胍鎓对于包合物结构的影响,我们首先采用对苯二甲酸单独作为主体组分,观察其包合形式,即化合物3。化合物3以脱去一个质子的对苯二甲酸为主体形成一条氢键链,客体形成紧密的波纹阳离子层,大有“反客为主”的趋势。包合物4由于主体丙基胍鎓的加入,在化合物3的基础上主体结构更加丰富,形成交叉管道,充分说明了胍鎓对于主客体结构的构筑能力。
为了使烷基胍鎓离子上具有更多的氢键给体,弥补丙基单胍鎓离子上丙基无法形成氢键的遗憾,第3章以烷基双胍鎓离子,苯甲酸衍生物为主体,构筑了4个新的包合物。
[(n—Bu)3N(CH2)4N(n—Bu)3]2+·[(H2N)2CNH(CH2)2CNH(NH2)2]2+·2[1,3-C6H4(COO—)2]·6H2O(5)
4(n—Bu)4N+·[(H2N)2CNH(CH2)2NHC(NH2)2]2+·6[m—OHC6H4COO—]·8H2O(6)
4(n—Bu)4N+·[(H2N)2CNH(CH2)4NHC(NH2)2]2+·6[m—OHC6H4COO—]·8H2O(7)
4(n—Bu)4N+·[(H2N)2CNH(CH2)4NHC(NH2)2]2+·6[p—OHC6H4COO—]·14H2O(8)
包合物5~7均形成层状的“三明治”式结构,其中包合物5以双季铵阳离子为客体,形成的包合物主客体间存在弱氢键作用。这3个包合物均以包合物8则是以对羟基苯甲酸形成的Z形螺旋链组合得到管道结构。
第4章以芳香胍鎓离子为主体组件,得到了2个新的化合物:
{p—L(H2N)3C]+C6H4(COO—)}·4H2O(9)
(n—Bu)4N+.·{p—[(H2N)2NHC]+C6H4COOH}·2Br—(10)
在化合物9和10的晶体结构中,对胍基苯甲酸既含有氢键受体,又含有氢键给体,展示了特强的氢键形成能力。包合物10中,由于只有单一主体对胍基苯甲酸,客体阳离子(n—Bu)4N+反客为主,将主体包含在内,形成管道结构。
比较本文合成的10个包合物和文献报道的包合物,第5章就关于不同的主体胍鎓离子和羧酸阴离子对于主体结构的影响,客体对于主体结构的模板作用,以及三者之间的相互影响做出一定程度的分析,希望对该类晶体结构的设计有一定的参考价值。