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多孔配位聚合物是一类比表面积高、可设计性强的新型多孔材料,近年来受到各学科研究工作者们的关注。本论文选用两种三连接型配体,均苯三甲酸(H3btc)和2,4,6-三(4-吡啶基)-1,3,5-三嗪(tpt),构筑了系列多孔配位聚合物,重点对其结构的动态变化进行了研究。全文分为五章:
第一章介绍了本论文的研究背景及多孔配位聚合物相关的研究进展。主要包括动态多孔配位聚合物,多孔配位聚合物吸附性能的改善以及多孔配位聚合物在一些新型领域应用相关的研究工作。另外,简要地陈述了本论文的选题及取得的进展。
第二章描述了两个具有金红石拓扑的金属均苯三甲酸盐。两个化合物具有相似的三维框架结构,包含由中性的客体分子和抗衡阳离子二甲铵填充的一维孔道。然而,由于配体的羧酸根与两种金属离子的配位模式具有差别,两个化合物的框架结构表现出明显不同的柔性特征。对于金属镉的化合物,其框架在中性客体分子移除的过程中就开始坍塌。而对于锌的化合物,加热后其框架发生两次晶体到晶体的结构转变,分别是由中性客体分子移除和抗衡阳离子二甲铵的分解离去导致的。值得注意的是,二甲铵阳离子分解后是以其去质子形式失去的。在这一过程中,二甲铵离子与孔道表面上的羧酸氧原子之间发生了质子转移。质子转移的发生可能与结构中含有未配位的羧酸氧原子有关。质子导电测试表明质子可以在其孔道内有效地传递。另外,对两个化合物的吸附性质进行了研究与讨论。
第三章描述了一个孔道表面含锂离子的多孔金属均苯三甲酸盐。该化合物具有三维的框架结构,包含截面直径约为7(A)的一维孔道。在去除客体前,框架上的锂离子突出孔壁表面并与溶剂分子配位。热重分析和变温X射线粉末实验表明,在配位的客体分子除去之后,框架基本保持。一般情况下,这些结果可以得出无客体相中存在配位不饱和金属锂中心的结论。然而,氢气吸附实验却得到相对较低的吸附热数据。单晶到单晶转换实验发现,尽管在除去配位客体分子前后,整体框架结构的晶胞参数变化不明显,锂离子的配位状态却发生了显著的变化。当失去配位的客体分子后,突出的锂离子缩回孔壁内与配体上的羧酸氧原子配位,形成一个新的变形四面体配位构型。也就是说,锂离子并没有暴露在孔道表面。据了解,这是首次配位客体失去后的锂离子得到准确的结构表征。这一结果也给出了其氢气吸附热偏低的原因。另外,发现了缩回到孔壁中的锂离子在受到水分子的刺激后,会再次突出与其配位,表现出有趣的配位互补行为。而对吸附氮气或二氧化碳后单晶的X射线结构分析则表明,在分别吸附这两种气体后锂离子的配位状态都没有发生变化。不过,孔道中电子密度分布显示缩回的锂离子仍然是主要的吸附位点。
第四章描述了一个多孔的钆的均苯三甲酸盐。该化合物具有三维的框架,包含由客体分子和配位水分子占据的一维孔道。单晶到单晶转换实验显示,在失去配位水后,钆离子从原来的变形五角双锥转变成变形的三棱柱配位构型。配位的羧酸氧原子在位置上发生了位移,以减少钆离子的暴露程度。尽管如此,钆离子依然部分暴露在孔道表面。通过单晶到单晶转换实验作者研究了该多孔框架在吸附不同小分子后的结构变化,以及配位不饱和钆离子在吸附过程中的作用。无客体相吸水后的结构显示钆离子的配位几何恢复到原来的变形五角双锥。除了配位不饱和钆离子这一强吸附位点外,还有另一个强吸附位点位于孔壁的曲面处。无客体相吸附乙醇后的结构表明,被吸附的乙醇分子首先与配位不饱和的钆离子配位,孔道中剩余的空间被另一种未配位的乙醇分子占据。无客体相在1∶1或1∶10体积比的乙醇和乙腈混合溶液中进行吸附后的结构显示,乙醇分子通过配位优先地被吸附到配位不饱和的钆离子上,乙腈则填充在孔道剩余空间中,生动地体现了稀土离子在配位上的亲氧性。
第五章描述了两个由铜羧酸盐与中性配体tpt构筑的配位聚合物。其中一个具有一维的链状结构。相邻链通过配体tpt之间的π-π堆积形成了其三维结构。另一个化合物由立方体形的二十核铜簇与配体tpt交替连接形成,其框架为三结点的(3,4)连接三维网络,拓扑符号为iac-d。据了解,目前还没有具有这种拓扑的无机物或配位聚合物见报导。本章分别对两个化合物的吸附和磁学性质进行了研究与讨论。
最后对本论文的工作进行了简要的总结。