基于芳基磺酸配体的金属有机配位聚合物的设计、合成与性能研究

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近些年来,金属有机配位聚合物以其引人入胜的结构和丰富多彩的性质而成为新材料的一个研究热点,并受到越来越多的关注。它们在许多方面都具有潜在应用价值,如发光、小分子识别、气体吸附与分离、催化、药物传递等等。而金属有机配位聚合物的功能又在很大程度上取决于其微观结构,金属离子和有机配体作为配位聚合物微观结构的主要组成部分,关于其配位模式和构效关系的基础研究就变得极为重要。  本论文从稀土离子和芳基磺酸配体着手,运用正交试验设计方法和超分子自组装原理,探索、合成了一系列结构新颖、性能优良的金属有机配位聚合物。通过X射线衍射分析、元素分析、红外吸收光谱、综合热分析等分析手段对化合物进行了表征,对其结构以及结构调控因素进行了较系统的探讨,并对其荧光性质、磁学性质进行了较深入的研究。本论文涉及到的研究工作主要有:  1)概括性阐释了正交试验设计这一研究多因素多水平作用的高效率实验设计方法的基本原理和使用步骤,并通过实验设计实例,论证了其在金属有机配位聚合物合成实验中的应用。实践表明,该实验方法对科研实验设计具有简便性、实用性和可靠性。  2)鉴于对磺酸基配位化学的研究较少,我们选取结构对称性高的1,5-萘二磺酸配体同荧光性能、磁学性能优异的稀土离子配位自组装,通过改变不同的配位稀土离子,合成了八个金属有机配位聚合物:RE3(μ3-OH)7(1,5-NDS)(RE=Y(1),Gd(2),Er(3),Yb(4)),La(OH)(1,5-NDS)(H2O)(5),Ce(1,5-NDS)1.5(H2O)5(6),Tb(OH)(1,5-NDS)(H2O)2(7)和Dy(OH)(1,5-NDS)(H2O)(8),对其结构进行了表征,并测试了部分化合物的热稳定性以及光学、磁学性质。对该系列化合物的结构分析表明,稀土离子同芳基磺酸配体配位具有倾向性,半径较大的稀土离子倾向于形成较高桥连数的磺酸基配位结构,半径较小的稀土离子则正好相反;对该系列化合物的性能研究表明,稀土离子可以通过影响配体配位环境甚至淬灭部分配体荧光的方式调节配位聚合物的发光颜色,桥连配体可以通过影响稀土离子间的磁相互作用调节配位聚合物的磁学性能。  3)鉴于富电子大共轭的稠环芳烃芘及其衍生物具有优异的光电性质,但容易形成π-π堆积而使荧光淬灭,我们选取具有四个磺酸取代基的1,3,6,8-芘四磺酸配体同荧光性能优异的Eu(Ⅲ)离子配位自组装,通过改变金属盐和配体比例以及混合溶剂比例,合成了一系列金属有机配位聚合物:Eu6(1,3,6,8-H2PTS)(μ6-O2-)(NO3)6(OH)8(H2O)10(9),Eu(1,3,6,8-PTS)(H2O)7·4H2O·Hbipy(10)和Eu(1,3,6,8-PTS)0.5(NO3)(H2O)3·0.5bipy(11),对其结构进行了表征和描述,并研究了其荧光性质,进一步证实了配位的稀土离子可以通过影响有机配体的激发机制和发射机制两方面作用,实现对配位聚合物发光颜色乃至发光效率的调控。
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