基于铜簇配位聚合物的合成和结构

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材料同能源、信息并列为现代科学发展的三大支柱,是我们社会生活的物质基础。配位聚合物(Coordination Polymers,CPs)作为一种新型功能性分子材料,在光、电、磁、吸附、催化等方面具有良好的应用前景。目前,人们已经能够利用金属配位聚合物的晶体工程学在一定程度上控制金属配位聚合物的结构,从而合成出许多性能良好的配位聚合物功能材料。然而,由于配位聚合物的合成过程十分复杂,人们对配位聚合物生成机理的认识仍不成熟,这就需要深入的研究和丰富的实验结果积累,最终实现分子设计和定向合成的目标。配位聚合物通常由金属簇作为次级结构单元(SBUs)和有机配体作为连接体(Linker),有机配体和次级结构单元都会对配位聚合物的结构或拓扑产生影响。因此,选择合适的有机配体或可变的次级结构单元组装是分子设计策略的重点。本论文选择不同类型的苯二甲酸(对苯二甲酸、间苯二甲酸和邻苯二甲酸)和2,2’-联吡啶为配体,Cu(II)为中心金属,在常温挥发的反应条件下成功合成了四个配位聚合物[Cu4(bipy)4(OH)4(H2O)2](1,4-BDC)2·3H2O(1)、[Cu4(bipy)4(OH)4(H2O)(1,3-BDC)](1,3-BDC)·13H2O(2)、[Cu4(bpy)4(OH)2(1,2-BDC)2]·10H2O(3)、[Cu2(1,2-BDC)2(bipy)2(H2O)]·3H2O(4)(biby=2,2’-联吡啶,1,4-BDC=对苯二甲酸,1,3-BDC=间苯二甲酸,1,2-BDC=邻苯二甲酸)。利用单晶X射线衍射确定了四个配位聚合物的结构。具体如下:(1)在氨水乙醇混合溶液反应中,硝酸铜与N/O配体自组装合成了三种四核铜配位化合物。X射线单晶衍射分析确定了单晶结构,结果表明三种化合物具有椅状羟基桥联四铜(II)簇:化合物1中对称的[Cu4(bipy)4(OH)4(H2O)2]4+,化合物2中不对称的[Cu4(bipy)4(OH)4(H2O)(1,3-BDC)]2+,和化合物3中对称的[Cu4(bipy)4(OH)2(1,2-BDC)2]2+(bipy=2,2’-联吡啶,H2BDC=苯二羧酸)。三种苯二羧配体(对苯二甲酸、间苯二甲酸或邻苯二甲酸)分别充当氢键的受体,单齿末端配体和双齿桥联配体。因此,氢键在影响铜簇和配体间形成氢键网络构成二维层状金属-羧酸配位聚合物过程中起到关键作用。(2)在常温挥发反应条件下,合成了一种由v型配体(邻苯二甲酸)与含N配体(2,2’-联吡啶)为共配体的二核铜配位聚合物(4){[Cu2(1,2-bdc)2(bpy)2(H2O)]·3H2O}n(4)。单晶X射线衍射分析表明,配位聚合物(4)在单斜晶系,P 21/n空间群结晶(晶胞参数a=12.992(5)?,b=20.709(7)?,c=13.652(5)?,andβ=109.401(7)o,Z=4)。双核铜簇[Cu2(1,2-BDC)2(bpy)2(H2O)]通过桥联配体BDC2-形成一维环状双链。通过分子间π-π堆积和配位H2O分子,结晶H2O分子和邻苯二甲酸羧酸基团未配位的O原子之间形成的氢键组装成三维超分子结构。
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