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由于在材料、生物、分析等方面具有潜在的应用价值,功能配位聚合物的合成和性质近年来一直是化学家们研究的热点,然而配位聚合物的自组装过程受多方面因素的影响,如:配体的本性、金属离子的配位需求、阴离子、溶剂以及配体与金属的配比等,所以要想成功地构筑出预期结构的配合物仍是一个挑战性的课题。为此,充分探讨这些因素对组装过程影响的规律性,就需要系统地对各个因素进行深入研究。席夫碱(Schiffbases)配体的合成相对而言简单易得,并且具有极大的灵活性和良好的配位能力,这就为上述的研究提供了很方便的素材,可以通过对席夫碱配体的精细调整,比较所形成的席夫碱配合物的结构和功能的差异,来获得规律性的结果,从而对功能配位聚合物的合成具有指导意义。
文献中已大量报道了含二位吡啶基双席夫碱配合物的结构和性质,但它们的结构几乎都表现为单核分子配合物,这是由于二位的吡啶氮原子在方向上具有收敛性,易与两个亚胺氮原子共配一个金属离子。为了探讨配位原子在配体中所处位置不同对自组装过程的影响,我们合成了配体L1和L2,前者终端配位基团为四位吡啶基,后者为三位吡啶基,三位和四位的吡啶氮原子由于在方向上比二位的更具发散性,因而当与金属离子自组装时所得到的配合物结构可以向外延伸,从而可能形成一些具有空腔或贯穿结构的配位聚合物,并从中找出可能的组装规律。
通过精细地设计和合成具有预组织结构的配体,对于得到所期望结构的配位聚合物具有重要的指导意义。如索烃、轮烷、螺旋体等的制备是考虑到弱相互作用(π…π相互作用、氢键等)在晶体构筑上的重要影响,在配体的设计中可以通过引入大的芳香体系,并延长链的长度,来获得预期的结果。为了考察延长配体链长度对自组装过程所能带来的影响,我们设计合成了配体L3和L4。在这两个配体中包含有芳香苯环,以期具有可能的π…π相互作用,对晶体的构筑产生影响;而终端咪唑基的引入,更增加了配体的灵活性。另外,基于柔性的长链配体L3,我们合成了一个大环配体L5,试图通过L3中乙二胺与L5中二乙烯三胺与金属离子共配位而将L3与L5连锁起来,再将L3中链两端的咪唑基团与同一个金属离子配位而形成索烃。此外不对称配体L6含二位吡啶基,可用于合成单核锰配合物来模拟Mn-SOD,研究它的催化活性。
得到单晶结构的化合物:[1][Ag2(L1)2](CF3SO3)2·H2O[2][Ag3(L1)2](NO3)3·H2O[3][Co(L1)2](SCN)2·EtOH[4][Co(L2)2](SCN)2[5][Cd(L3)Br2][6][Ag3(L3)2](ClO4)3[7][Ag(L4)]NO3[8][Ag3(L4)2](CF3COO)3·5H2O[9][Cu(L4)]ClO4[10][Cu(L4)]BF4[11][Ag2(L3)(L5)](ClO4)2[12][Cu2(L5)(OSO3)2]·3H2O·3MeOH[13][Cd2Cl4(L5)]·1.69H2O[14][Cd2Br4(L5)][15][Mn(L6)2(H2O)](ClO4)2·2.5H2O
本文所用的表征方法:[1]X-ray单晶衍射[2]C,H,N元素分析[3]1H核磁共振[4]循环伏安法电化学分析法[5]电喷雾质谱[6]荧光光谱[7]紫外分析[8]变温磁化率
本论文工作的研究结果:
1.配体L1和L2无论是与单价金属离子Ag(Ⅰ)还是与双价金属离子Co(Ⅱ)进行组装,得到的配合物[1]-[4]全部是二维结构,而且堆积方式都是ABAB型。L1与CF3SO3Ag和AgNO3反应分别得到的配合物[1]和[2]都包含双股螺旋体,由于CF3SO3-阴离子比NO3-阴离子体积大,所以[1]中螺旋体间的空隙比[2]中的大,这就导致配合物[2]是在二配位银原子与螺旋体终端吡啶N原子的配位作用下,而将螺旋体连接起来形成二维网状结构;而配合物[1]则要依靠水分子与螺旋体终端吡啶N原子所形成的O-H…N氢键,才将螺旋体连接成二维网状结构。这个结果说明阴离子的体积大小对自组装过程有重要的影响。
2.配合物[3]和[4]是Co(SCN)2分别与仅终端配位原子位置不同的配体L1(含4-吡啶基)和L2(含3-吡啶基)反应而得的二维结构。尽管二者中Co(Ⅱ)原子的配位环境很相似,但由于4-吡啶基与3-吡啶基中配位N原子所处的位置和方向不同,因而导致两个二维结构的连接方式极其不同。
3.配体L1和L2所形成的配合物用电喷雾质谱进行了表征,观测到了单核和双核物种,表明这些配合物在溶液仍以配合物方式存在,并没有完全解离。钴配合物的低温(75-300K)磁化率测定说明金属之间仅有弱的反铁磁相互作用存在,这是Co…Co间距离较大的缘故。电化学分析结果是两个钴配合物仅在阳极区出现一个不可逆氧化峰([3],+0.76V;[4],+0.80V)。
4.当开链配体延长后,如配体L4,与配体L1和L2相比,由于柔性相对增加,所以配体L4与Ag(Ⅰ)和Cu(Ⅰ)盐反应得到了一维链和二维网结构。配体L4与CF3COOAg形成的配合物[8]与配合物[1]和[2]的结构非常相近,都呈现二维螺旋网。它们的区别在于配合物[8]中包含有Ag…Ag相互作用,并且丰富的氢键链象铆钉一样将二维网连接成三维结构,而[1]和[2]中却没有如此多样的弱相互作用存在。这个结果要完全归结于配体L4链的增长,以致于二维网中有足够的空间来容纳更多的溶剂分子和阴离子,形成各种氢键。
5.配体L3是L4还原后产生的,相对L4它的柔性更大。从与银盐形成的配合物[6]来看,其中的双股螺旋体本身有很大的弯曲性,因而,在二配位银原子的作用下,形成蜿蜒的一维链,这个结果充分说明配体柔性的增加可提供多样的配位方式,从而允许新颖配合物的产生。
6.配体L3和L4及其所形成的配合物在固态时都显示了荧光性,测定了它们的固体荧光光谱和荧光寿命。配合物的荧光强度比相应配体的荧光强度都弱,并有程度不等的位移现象,这是金属原子与配体配位的结果。值得注意的是,银配合物在常温下具有荧光是比较少见的,配合物[6]和[8]在常温显示荧光也许因为有Ag…Ag相互作用的结果。Cu(Ⅰ)配合物在长波区产生荧光则要归于晶体堆积作用阻止了Cu(Ⅰ)配位构型在激发态的进一步扭曲。所有化合物的寿命都在几个纳秒级,表明了具有短的荧光寿命。
7.通过大环配体L5、链状配体L3及金属盐组装反应得到了含大环配体的双环分子化合物、一维链状配合物及同时含有大环配体L5和链状配体L3的配位聚合物。配合物中大环配体有船式和椅式两种构型。但是大环配体和链状配体形成索烃的合成条件还有待于进一步探索。
8.不对称席夫碱配体L6与Mn(Ⅱ)盐形成七配位锰的单核配合物[15],采用硝基四氮唑兰(NBT)间接法来测定配合物的SOD活性,结果表明配合物有一定的SOD活性,IC50值为2.85μM。