基于含氮杂环羧酸配体的金属-有机框架的构筑及性质研究

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在过去的几十年中,金属-有机框架(metal-organic frameworks,MOFs)作为晶态材料,由于其独特而多样的多孔结构和功能性受到越来越多的关注。它们在气体存储和分离,非均相催化,传感器,药物输送等众多领域中展现了迷人的应用前景。MOFs组成单元中的金属节点和有机配体具有灵活的可调性和可修饰,因而可以设计和合成具有特殊结构和功能的MOFs材料。但是,目前仍然存在诸多的问题,阻碍了这些MOFs材料的实际应用。例如,当前报道的大多数MOFs的稳定性较差;定向合成具有特定功能位点的MOFs仍然面临很大的挑战。因此,充分发挥MOFs在结构调控方面的优势,设计合成稳定的MOFs结构以及具有特殊功能位点的MOFs材料是目前仍需解决的问题。针对这两种问题,本论文开展了一些工作,以含氮杂环羧酸配体调控为手段,在MOFs骨架中引入氮唑基团,不但可以提高其骨架稳定性,而且可以赋予MOFs丰富的功能特性。经过相应的结构和性质表征,分析归纳MOFs结构中的特定位点对于相关功能特性的影响。主要研究内容总结如下:(1)设计合成了两个相似的三氮唑二羧酸配体,与Cu(Ⅱ)离子在溶剂热条件下构筑了两例新型的自穿插MOFs,[Cu2(L1)2](1,L1=4-(双(4-苯甲酰基)氨基)-4H-1,2,4-三唑)和[Cu2(L2)2](2,L2=4,4’-(1H-1,2,4-三唑-1-亚甲基)二苯甲酸)。结构分析表明,两个MOFs分别为3,6T18和Flu拓扑网络的多孔结构。化合物1和2在一定浓度的酸性和碱性水溶液中具有良好的稳定性。我们通过气体吸附研究和理论计算揭示了两个化合物不同的多孔结构特征。相关研究结果为进一步构建具有高孔隙率和高稳定性的MOFs提供一定的借鉴作用。(2)使用卟啉四羧酸配体和不同的氮唑类辅助配体,与Zn(Ⅱ)离子在溶剂热条件下反应合成了三例具有次级结构单元多样性的MOFs,[(NH2Me2)][Zn3(L3)(bentz)](3),[(NH2Me2)2][Zn6.5(L3)1.5(tz)6(H2O)6](4)和[(NH2Me2)6][Zn9(L3)3(H2O)2(ade)2(μ-O)2](5),(bentz=苯并三氮唑,Htz=1H-1,2,3-三氮唑,ade=腺嘌呤)。化合物3-5为阴离子型框架,在选择性吸附阳离子型染料分子中表现出不同的性能,其中化合物5具有最快的吸附速率。值得注意的是,化合物5的孔道表面暴露开放的Watson-Crick位点,可能作为潜在的作用位点增强与客体分子之间的相互作用。(3)利用三氮唑二羧酸配体与Tb(Ⅲ)离子构筑了一例水稳定的Tb-MOF,[Tb4(L1)6(H2O)8](6,L1=4-(双(4-苯甲酰基)氨基)-4H-1,2,4-三唑)。在Tb-MOF框架中引入三氮唑空配位基团,不仅有助于提高骨架的水稳定性,而且有助于增强材料对多种底物的荧光传感性能。化合物6对金属阳离子、阴离子、有机小分子呈现出高度灵敏荧光识别,并对水相和气相中的痕量硝基爆炸物表现出高选择性及灵敏性检测。(4)利用V型三氮唑二羧酸配体与Zr(IV)离子构筑了一例结构新颖的Zr-MOF,[Zr6O4(OH)8(H2O)4(L4)4]n(7,L4=4,4-(4-氨基-4H-1,2,4-三唑-3,5-二基)二苯甲酸)。化合物7兼具刚性骨架及柔性配位环境,表现出较高的化学稳定性,可在溶液中吸附并固定不同Ni簇单元(七核镍簇和三核镍簇)得到新的化合物8和9,并通过单晶粉末X-射线衍射(SCXRD)技术首次实现金属-有机框架后修饰金属簇可视化。另外,催化性能表明化合物9负载的三核镍簇由于具有更开放的金属位点及有序结构,极大提升了催化乙烯二聚的活性。
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