苯二氧二乙酸桥联配位聚合物的合成、结构及性质研究

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近年来,以有机多羧酸为构筑块组装新型金属有机超分子化合物己成为人们研究的热点。这些超分子化合物往往具有新颖的拓扑结构和巨大的应用前景,例如在光电,磁性,以及作为多孔材料。人们利用配体和具有特定配位构型的金属离子等一些积极因素,在一定程度上可以通过自组装过程得到预期结构和性质的化合物。但是影响分子组装过程的因素是多方面的,如配体的结构,金属离子的配位构型,溶剂、阴离子、氢键和π-π相互作用等对组装过程都有很大的影响,而其中配体的选择是最重要的影响因素,目前,对配体的研究大多集中在二酸及其衍生物上。与4,4’-联吡啶及其衍生物相比,二酸配体具有很多的优点:1)二齿配位和更多的配位方式:2)顺-顺,反-反,或顺-反构象,3)氧原子的三配位联接方式,4)形成平行的金属-氧无机层,5)连接多核金属羧酸簇合物形成的构筑块. 有趣的是,金属-氧形成的二聚体,或形成的链,面还可以通过二酸离子联接得到更高维数的结构.在金属与二酸配体形成的结构中,无限延伸的金属-氧-金属往往可以使电,磁交换更容易产生. 一般说来,常用的羧酸类配体按刚柔性可以分为两大类,一类是以草酸,苯甲酸为代表的刚性配体,另一类则是以脂肪酸类为代表的柔性配体,前人在此基础上都作了大量的工作。 尽管使用柔性配体的工作仍充满挑战和不可预测性,但是仍然有很多有意义的结构被制造出来,因为柔性配体的旁式效应使其具有更丰富多变的构象.刚性配体构筑的构象则相对比较简单甚至是可预言的,Yaghi和其同事的工作就是很好的例证.对称性高的多齿配体如1,3-苯甲酸,1,3,5-苯三甲酸,因为其刚性盘状结构,与金属离子良好的螯合能力等诸多优点得到了Yaghi等人的青睐,并合成出很多性质优良的刚性多孔化合物。Yaghi等人还提出了以SBU-多核金属羧酸簇合物-为构筑块,以多齿螯合有机化合物为桥联,合成具有更大更坚固的沸石型分子材料以满足催化领域的需要。 尽管在刚柔两类配体上人们已经作了很多的工作,然而却很少有人报道使用介于刚性和柔性之间的配体来构筑并研究其对化合物结构和性质的影响。因此,我们选择了以苯二氧二乙酸类化合物为配体。相对于苯二甲酸,增加的氧原子和碳原子能使配体的柔性增加以及配位方式更加多样;而相对于脂肪酸,因为苯环的引人和苯氧乙酸的高对称性可以得到更坚固和新颖的孔洞结构。本论文参考文献,合成表征了一系列苯二氧二乙酸类化合物作为配体。 在合成方法上,本论文使用了水热法和扩散法两种合成制备方法,并研究了合成方法对化合物结构的影响。本文由以下四部分构成: 1.以1,3-苯二氧二乙酸,1,4-苯二氧二乙酸为配体,用扩散法合成了两个一维链状化合物[Cu(C<,10>H<,8>O<,6>)(C<,5>H<,4>N)<,3>H<,2>O](1)&[Zn(C<,10>H8O<,6>)(C<,5>H4N)<,2>(H<,2>O)](7).两个化合物的金属离子均具有五配位的结构,配体的两个羧酸根连接金属离子形成无限延伸长链.不同的是[Cu(C<,10>H<,8>O<,6>)(C<,5>H<,4>N)<,3>]<,n>nH<,2>O(1)上有三个吡啶分子,形成了直线形链并通过存在于链间水分子形成的氢键进行堆积.而[Zn(C<,10>H8O<,6>)(C<,5>H4N)<,2>(H<,2>O)]<,n>(7)上有两个吡啶水分子和一个水分子,形成的链是”Z”形的,并通过配位水和吡啶上的氢原子形成的氢键进行堆积. 2.然而,在水热法中镉离子与1,3-苯二氧二乙酸却形成一个无机—有机杂化聚合物[Cd(C<,10>H<,8>O<,6>)]<,n>(2).镉与七个氧原子形成了CdO<,7>五角双锥形,CdO<,7>角一角共享形成了Cd-O无机一维链,链与链间又通过配体氧桥相连接形成了无机镉-氧平面.平面的上下方排列着相互平行的苯环,这些苯环都是垂直于无机镉-氧平面的。因为苯环上醚氧原子的引人,一种新的配位方式被发现,每个配体与四个不同的金属原子配位。室温下的荧光光谱分析表明,[Cd(C<,10>H<,8>O<,6>)]<,n>(2)因为形成了更稳定的结构,它的荧光光谱相对于配体发生了红移。 3.为了得到更高维数的结构,在前面一维链的基础上采用了混合配体的方法,在反应过程中加入了二齿配体4,4’-联吡啶,希望它能够联接一维链以得到更有意义的结构.因此,我们以1,3-苯二氧二乙酸为配体,分别与ZnCl<,2>,Cu(NO<,3>)<,2>6H<,2>O反应,用水热法合成了两个新颖的二维结构.其中二维叠纸状化合物[Zn(C<,10>H<,8>O<,6>)(C<,10>H<,8>N<,2>)](3)&[Cu(C<,10>H<,8>O<,6>)(C<,10>H<,8>N<,2>)](4)的结构相同,都是由配体与金属离子形成无限延伸的一维链,两组相互平行的4,4’-联吡啶作为一个双齿配体从两个方向将金属-配体链联接,其夹角分别为101.23(8)°101.24(9)°,形成二维叠纸状结构.并用IR,TG-DTA,荧光光谱分析等物理方法系统地表征了他们的结构和性质。 但是,用1,4-苯二氧二乙酸与Zn(NO<,3>)<,2>6H<,2>O,4,4’-联吡啶得到的则是-[Zn(C<,10>H<,8>O<,6>)(G<,10>H<,8>N<,2>)(H<,2>O)2](6),一个二维平面状结构,1,4-苯二氧二乙酸作为一个二单齿配体与金属螯合形成无限延伸的直线形链.金属与配体形成的链通过4,4’-联吡啶联接形成平面,这个平面是由许多的”工”字形的四十环构成的.平面间通过氢键作用堆积.有趣的是因为配体苯环上的有较长的氧乙酸基团,以致于平面间的堆积形成了新颖的“工”字形的管道。并用IR,荧光光谱分析等物理方法系统地表征了他们的结构和性质. 4.1,3-苯二氧二乙酸,Mn(OAc)<,2>4H<,2>O,和4,4’-联吡啶以水热法合成了三维孔道结构的{[Mn(C<,10>H<,8>O<,6>)(C<,10>H<,8>N<,2>)](C<,10>H<,8>N<,2>)}(5).每个1,3-苯二氧二乙酸作为一个二双齿配体联接了四个锰原子,每两个锰原子与两个羧酸根形成了一个八元环,和二十四元环,从而形成了金属原子与配体组成的[Mn(L<,1>)]<,n>平面,这些平面通过金属离子被4,4’-联吡啶上下连接,形成了孔道结构.因为1,3-苯二氧二乙酸和4,4’-联吡啶具有较长的肩桥,形成了较大的孔洞结构并容纳了一个当量的4, 4’-联吡啶分子。磁性质测试表明{[Mn(C<,10>H<,8>O<,6>)(C<,10>H<,8>N<,2>)](C<,10>H<,8>N<,2>)}(5)是一个反铁磁体。并用IR,TG-DTA,X一射线单晶衍射,荧光光谱分析等物理方法对其进行了表征。
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