羧酸、唑类混合配体构筑的金属-有机骨架材料的合成、表征及性质研究

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金属-有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料作为一种新型多孔功能材料,由于具有比表面积大、易调控、易功能化等特点,在气体吸附分离、催化、荧光、磁性、分子识别、载药等方面表现出广阔的应用前景,迅速成为化学、材料、医药等领域的研究热点。  本论文以模块化学为指导,利用羧酸与三氮唑具有配位几何学上相似的μ1,2-桥联的特点,开展了基于混合配体构筑的新型次级构筑单元(Second BuildingUnits,SBUs)的探索研究,首次获得了基于共享型Zn7O2 SBU构建的pcu型多孔骨架;开展了基于车辐式(Paddle-Wheel)和三氮唑双核(Triazolate-Dinuclear)对接而构筑的多孔骨架材料的探索研究,获得了系列新型的多孔骨架材料。在上述结构基础上,研究了它们在分子识别、磁性及吸附分离方面的性质。主要研究工作概述如下:  (1)利用4,4-联苯二甲酸和3,5-二甲基4-(4-吡啶)吡唑(或3,5-二乙基-4-(4-吡啶)吡唑)作为混合配体,在水热/溶剂热条件下首次合成得到了基于新颖的混合配体共享型Zn7O2 SBU构筑的多孔骨架材料,[Zn7O2(bpdc)4(dmpp)2]·6DEF·10H2O(MAC-7)和[Zn7O2(bpdc)4(depp)2]·6DEF·10H2O(MAC-7-Et)。结构分析表明每个Zn7O2 SBU通过六个不同的方向彼此连接,每个方向为两个配体(即:Zn7O2 SBU是12-连接),形成每个方向都是双连接的pcu型拓扑结构。性质研究发现,该材料表现出可逆相转变特性,分子识别性质研究发现MAC-7对于硝基苯的加入表现出逐步的荧光红移和猝灭,而对于甲苯、二甲苯等则表现出荧光增强,表明MAC-7能够选择性荧光发光识别硝基苯。  (2)利用3,3,5,5-联苯四甲酸(H4bptc)和3,5-二氨基-1H-1,2,4-三氮唑(Hdatrz)为混合配体,在水热/溶剂热条件下合成得到了基于三氮唑双核和车辐式SBUs构筑的多孔网络结构{[Co2(bptc)(datrz)](CH3)2NH2·3H2O}n(MAC-6-Co)。研究发现该骨架结构在原位加热过程中会转变成{[Co2(bptc)(datrz)(H2O)0.5](CH3)2NH2· H2O}n(MAC-6-Co),孔道从开孔变为闭合。单晶结构分析发现车辐式在此过程中由于水分子进攻转变为普通的羧酸基双核SBU。在此基础上,我们采用金属离子掺杂的方式合成得到了系列的含混合金属离子的{[CoxZn2-x(bptc)(datrz)](CH3)2NH2· guest}n(MAC-6-CoxZn2-x,x=2~0),研究了加热转变为{[CoxZn2-x(bptc)(datrz)(H2O)0.5](CH3)2NH2· guest}n(MAC-6-CoxZn2-x,x=2~0)前后的性质变化。紫外-可见光谱表明,在结构转变后,车辐式对应的吸收带减弱,随着结构中CoⅡ掺杂量的减少,MAC-6-CoxZn2-x和MAC-6-CoxZn2-x中车辐式对应的吸收带相对强度都有所增强。磁性测试表明,在结构转变后,MOFs的磁性逐渐从反铁磁性向铁磁性趋近,而且随着结构中CoⅡ掺杂量的减少,MAC-6-CoxZn2-x和MAC-6-CoxZn2-x都向铁磁性趋近。  (3)利用1,4-对苯二甲酸(H2bdc)、4,4-联苯二甲酸(H2bpdc)、3,5-二甲基-1H-1,2,4-三氮唑(Hdmtrz)、3,5-二氨基-1H-1,2,4-三氮唑(Hdatrz)与ZnⅡ或CoⅡ合成了{[Co2(bdc)2(dmtrz)](CH3)2NH2·2H2O}n(MAC-3-Co)、[Co2(bdc)2(datrz)](CH3)2NH2· H2O}n(MAC-3-Co-NH2)、[Zn2(bdc)2(datrz)](CH3)2NH2· H2O}n(MAC-3-Zn-NH2)和[Zn2(bpdc)2(dmtrz)](CH3)2NH2· H2O}n(MAC-3-Zn-bpdc)四种晶体,它们都是由车辐式和三氮唑双核SBUs对接形成的三维MOFs,其中MAC-3-Co和MAC-3-Co-NH2是异质同晶结构,具有均一的一维菱形孔道;MAC-3-Zn-NH2具有一大一小两种一维孔道;MAC-3-Zn-bpdc具有均一的一维菱形孔道,孑孔道尺寸比MAC-3-Co和MAC-3-Co-NH2的更大。利用单晶X-射线衍射、粉末X-射线衍射、热重分析、N2吸附、重量法吸附等手段对它们的结构及己烷异构体吸附分离性能进行了研究。
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