基于咪唑基卟啉金属有机骨架配合物的合成、表征和性能研究

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金属有机骨架配合物(metal-organic frameworks,MOFs)是由金属离子或金属簇(节点)和有机配体通过自组装的方式形成的多维网状结构,其在选择性气体吸附、催化、荧光等领域具有广泛的应用。卟啉类的MOFs是指以卟啉作为配体构建的结构,其在催化,传感,光吸收方面具有独特的性质。首先,我们通过控制反应条件仅让Ni或Cu与四咪唑基卟啉中心的四个N原子配位,得到了两个单核配合物1和2,1和2是同构的,卟啉上的取代基咪唑基团不参与配位。我们又通过改变溶剂的比例来调控反应,使取代基咪唑的N原子、卟啉中心的N原子同时与Ni(Ⅱ)配位,得到了一个2D层状结构配合物3。在3中,Ni1与卟啉的中心配位,采用NiN4平面四边形配位模式,Ni2和四个TImP配位,采用NiN4四配位模式。由于咪唑基N原子和TImP不在一个平面上,使得与Ni配位的卟啉平面发生了很大的扭曲。在3中,Ni原子都是四配位模式,具有不饱和的金属位点,可用与催化反应和对金属节点进行修饰。在配合物2的基础上,改变溶剂比例,得到配合物4。在配合物4中,Cu采用的是CuN6八面体配位模式,TImP以中心四个N原子和对位的的两个咪唑N原子参与配位,形成了一个2D网状结构。经PLATON计算,4在堆积时形成孔洞其孔隙率为13.9%,下一步将进行吸附性能测试。进一步研究发现,在DMF:H2O=7:1条件下,加入二茂铁,配合物2或者配合物4都可以转化成Fe(Ⅱ)的配合物NJNU-1。在NJNU-1中,Fe的配位方式和4中的Cu的配位方式一样。这种转化说明了金属Cu和TImP的配位能力没有Fe和TImP的配位能力强,进一步证明了 NJNU-1的稳定性。第三章,我们选择金属Ni,咪唑基卟啉(TImP)作为主配体,4,4’-联苯二甲酸作为辅助配体,利用水热法合成了配合物[Ni2(TImP)(PTA)·2[DMA]](5)。在5中,Ni1与卟啉中心的四个氮配位,处于卟啉平面的中心,形成平面四边形(NiN4)的配位环境。Ni2采用NiN4O2八面体配位模式,分别与四个TImP和两个对苯二甲酸(PTA)配位。对苯二甲酸和卟啉上临位最近的两个咪唑基团和Ni配位形成方波式的2D层状结构。5具有很高的化学和热稳定性,能够在NaOH的饱和溶液中稳定存在3天,而且在空气中耐热达200℃,在目前报道的MOFs中非常少见。我们认为5的稳定性与TImP配体具有较大的pKa值以及金属Ni的配位方式有关,这为我们未来合成稳定的MOFs提供了指导。5的半导体带隙Eg = 2.6 eV,可能具有一定的光催化性质。在类似的条件下,使用金属Ni金属与Cu-TImP和4,4’-联苯二甲酸反应,得到了 Cu-Ni双金属配合物6。在配合物6中,卟啉的中心Cu为CuN4O四方锥配位模式,Ni和配合物5中的Ni2配位方式一样为NiN4O2。由于卟啉的中心的五配位方式,使卟啉平面发生了扭曲。第四章,我们选择金属Zn,TImP作为主配体,均三苯甲酸作为辅助配体,利用溶剂热法合成了一个3D的配合物7,溶剂分子DMA和H2O充满了孔道。。在配合物7中,Zn1和卟啉的中心配位,采用ZnN4平面四边形的配位模式,Zn2采用ZnN4O2八面体的配位方式。Zn2和四个TImP和一个均三苯甲酸配位。经PLATON计算,配合物7的孔隙率为58.0%,对CO2和H2有少量的吸附。本论文对未来研究卟啉类的MOFs,特别是基于咪唑基卟啉的MOFs具有很好的借鉴意义。改变溶剂的比例,可以调控TImP配体上的咪唑取代基配位。选择合适的有机配体,利用混配的策略,可以得到更多性能优良的结构。
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