稀土/稀土—过渡金属簇(配)聚物的合成、结构及表征

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稀土/稀土-过渡金属簇(配)聚物已经成为当今化学研究中的热点之一,因为它们不仅具有绚丽的结构特征,而且还表现出有趣的光、磁、催化和吸附性能。但目前对于簇(配)聚物的研究绝大多数集中在过渡金属上,稀土/稀土-过渡金属簇(配)聚物的研究相对较少。本论文采用水热法,选择多功能有机配体与稀土离子及过渡金属铜离子组装,制备了二十一个稀土/稀土-过渡金属簇聚物和十一个稀土/稀土-过渡金属配聚物。通过红外光谱、元素分析、热重分析、X-射线粉末衍射、X-射线单晶衍射、荧光光谱、磁性等手段对这些化合物或部分化合物进行了研究。本论文包括以下几方面的工作:  1.在探索稀土-氧簇合成的过程中,选择4-吡啶-4-苯甲酸为配体,得到了一系列基于四核、六核、七核、十核的稀土/稀土-过渡金属簇聚物。化合物Er2L3(μ3-OH)2(μ2-OH)(H2O)(1)和Sm3L8(μ3-OH)(H2O)(2)分别是基于平面四边形稀土簇的一维链和具有sql拓扑的二维层。化合物[Gd4L12Cu10I8(H2O)10]·2ClO4·4H2O(3)是基于四核钩状稀土簇、近似线型的[CuL2]单元和一维[Cu8I8L8]梯状链的三维层柱状结构。化合物[La2(Ox)L4(Cu3.5I2.5)(H2O)2]·ClO4·2H2O(4)和[La4Na(Ox)3L8(Cu7I6)(H2O)3]·5H2O(5)是两例基于蝴蝶状的四核稀土簇通过铜-卤素簇单元构建的层柱状结构。化合物[Eu(CuⅡ)2CuⅠ(μ3-OH)(μ2-OH)L4(H2O)]·2ClO4·3H2O(6)是基于{Eu2Cu4Ⅱ}异核单元和[CuⅠL2]构建的二维层状化合物。化合物[Sm3Cu5I4L6(μ3-OH)2(OAc)(H2O)3]·ClO4·2H2O(7)和[Sm6Cu14I12L14(μ3-OH)4(H2O)5]·2ClO4·8H2O(8)是两例基于带状六核稀土簇的层柱状结构。值得注意的是,在化合物8中,存在着两个44-平面网络的自穿插。[Ln7(μ3-OH)8L9(H2O)6]·4ClO4·3HL·nH2O(Ln=Y9,La10,Gd11,Dy12,Er13,Yb14)是基于正三棱柱构型的七核稀土簇构建的二维层状化合物。Ln5(μ2-H2O)(μ3-OH)4Cu8I8L11(H2O)(Ln=Dy15,Eu16)是基于纳米级十核稀土簇和[Cu14I16]簇以及Cu柱撑的层柱状结构。  2.在寻找基于轮簇单元构建空旷骨架的过程中,引入草酸根为第二配体,得到了一例包含纳米尺寸的{La18}和{Cu24}轮簇的三明治构型的化合物[La6(μ3-OH)2(Ox)3L12Cu11(μ3-Br)6(μ2-Br)3]·8H2O(17)。值得注意的是,{Cu24}轮簇层十二元环中间的三个Cu离子穿过该层与上下两个相邻的{La18}轮簇层相连,形成蜂窝状平面网络(hcb)和金刚石拓扑(dia)的自穿插。引入第二配体醋酸根,合成了一系列包含纳米尺寸的{Ln24}和{Cu2@Cu24}轮簇三明治构型的化合物[Ln4(OAc)3(H2O)4L9][Cu(μ2-I)]@[Cu10(μ3-I)(μ4-I)6(μ5-I)3]}·7H2O(Ln=Pr18,Nd19,Sm20,Eu21)。具有3.0 nm的{Ln24}轮簇是基于罕见的三角锥构型的{Ln4}连接而成的,它是目前尺寸最大的稀土轮簇。值得注意的是,在{Cu24}的六元环孔道中,通过μ5-I3桥连了一个统计分布的[Cu2(μ2-I)2],形成了一个独特的{Cu2@Cu24}轮簇。与FJ-4中的{Ln18}和{Cu24}轮簇沿c方向以-ABCDEF-的堆垛相比,由于起柱撑作用的配体4-吡啶-4-苯甲酸(9.185(A))的尺寸约为异烟酸(4.894(A))的两倍,化合物17-21沿c方向采取-ABC-的堆跺方式。第二配体草酸根和醋酸根在稳定和形成稀土轮簇的过程中起到了关键作用。  3.在探索合成新颖拓扑的稀土/稀土-过渡金属配聚物过程中,以4-吡啶-3-苯甲酸(HL)和4-吡啶-4-苯甲酸(HL)为配体,得到了三个一维[LaL3(H2O)2(22),ErCuIL3(H2O)2(23),EuL2(μ3-OH)(μ2-H2O)(24)],三个二维[Er2Cu2I2L6(H2O)(25),Er3Cu5I4L6(SO4)2(H2O)2(26),ErL3(27)]和五个三维[ErCuIL3(28),Er3Cu5I4L10(H2O)(29),Dy2Cu3I2L6(BPDC)0.5(H2O)4(30),ErCuI(OAc)L2(H2O)(31),La2Cu2(Ox)2L6·4HL(32)]的稀土/稀土-过渡金属配聚物。化合物23,25,28,30是以HL为配体,基于{Ln2}和{Cu2}单元构建的,而化合物29是基于{Er3}和{Cu5}构建的。化合物22是稀土通过HL桥连的一维链,化合物24则是由三桥羟基桥连的具有EuⅢ特征发射的一维梯状链。化合物26是基于{Er3}构建的,通过{Cu4}、Cu和{Er3}二维层状结构。化合物27具有sql拓扑的四方平面网络,它的拓扑符号是{44·62}。化合物31是具有(6,10)-双节点连接的{34·48·53}{38·420·512·65}新颖拓扑。化合物32是由[La(Ox) Cu]单元通过配体连接的孔隙率达45.7%的空旷骨架。该结构可以简化为六节点的pcu拓扑网络。值得注意的是,游离的配体通过氢键和边对面的π-π堆积作用形成管状链,填充在孔道中。  
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