镉-(1,4,5,8)-萘二酰亚胺衍生物基光致变色配位聚合物的制备与性能研究

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基于D-A分子体系的电子转移型光致变色材料在光学存储、光学开关、显示器、太阳能转换器等光伏设备的设计中具有令人欣喜的应用潜能,已经得到人们广泛的关注。金属-有机配位聚合物独特的空间结构可以调控电子供、受体之间的电子相互作用,从而有效地调节材料的光致变色性质。本论文致力于设计合成一系列D-A分子体系类型的光致变色金属-有机配位聚合物,对它们的光致变色性质展开深入的研究,并进一步讨论D-A分子体系是如何作用于化合物光致变色性质的。主要研究成果如下:1.我们选择N,N’-二(4-吡啶酰氨基)-1,4,5,8-萘二酰亚胺(简写为IsoNDI)作为主要有机配体兼电子受体,金属镉(Cd)作为配位金属中心,2,6-萘二羧酸(2,6-H2NDC)、间苯二甲酸(m-H2BDC)以及对苯二甲酸(p-H2BDC)分别作为次级配体,采用水热合成方法成功制备出三种新型的2D晶态聚合物:化合物1-3。它们均表现出有趣的光致变色性质,但是强度有所差异,化合物2的光致变色表现最为优秀。为了弄清化合物光致变色的机理以及造成化合物光致变色性质差异的原因,我们深入剖析对比了化合物的D-A分子体系并进行了必要的表征测试。分析结果表明,化合物1-3的光致变色性质源于体系中发生的电子转移产生IsoNDI自由基的过程。第二配体不同的几何构型导致了化合物具有不同的空间构型,从而在分子体系中产生不同的分子间非共价作用力。其中,化合物1中2,6-萘二羧酸具有较大的芳香π平面,易于和IsoNDI的共轭中心π平面形成π-π堆积作用力。相比之下,化合物2、3中小体积的间苯二甲酸和对苯二甲酸更有利于化合物分子形成紧密堆积的结构,促使相邻的IsoNDI分子之间产生lone pair-π作用力。以上形成的作用力为分子体系中发生的光致电子转移提供了有效的路径,作用力类型与强度的区别最终导致了化合物光致变色性质的差异。(1)[Cd(IsoNDI)(2,6-NDC)(H2O)2](2)[Cd(IsoNDI)(m-BDC)(DMF)](3)[Cd2(IsoNDI)2(p-BDC)0.5(MAC)2]2.在后续工作中,我们将主要配体IsoNDI变换为另一结构的NDI:N,N’-二(4-吡啶亚甲基)-1,4,5,8-萘二酰亚胺(简写为DPMNI),继续采用间苯二甲酸和对苯二甲酸作为次级配体,同样使用水热合成方法制备出两例晶态同分异构体4、5。化合物4呈现闭合型框架结构,化合物5属于开放式配位聚合物,二者也都具有光致变色性质,并且化合物4的性质更为优秀。表征测试结果与结构分析综合表明,化合物的光致变色行为同样是由光致电子转移生成DPMNI自由基的过程所致。在化合物的D-A分子体系中,存在不同的电子供体,使得作为电子转移路径的lone pair-π作用力表现出不同的强度,继而引起体系中发生不同速率和程度的电子转移,最终导致了化合物4与5不同的光致变色性质。(4)[Cd(DPMNI)(m-BDC)](5)[Cd(DPMNI)(p-BDC)]
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