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通过选择合适的构筑模块来得到具有所期望结构或性能的分子晶体是晶体工程学的一个重要目标。利用超分子合成子或模块合成的方法在一定程度可以实现对晶体结构的设计与合成。但是到目前为止,如何精确的预测和设计晶体结构仍是一个巨大挑战。尽管不断有成功的例子报道,却没有一种方法能对晶体结构的预测或设计给出持续的、可依赖的结果。而对晶体复杂拓扑结构的预测和设计则更为困难。在本论文中,作者期望以氢键为构筑手段,利用特定结构的有机分子作为构筑模块来组装得到预期拓扑结构的超分子晶体,然后通过引入不同形状的氢键连接子来调控组装体的晶体结构。作者期望通过研究构筑模块和连接子结构对组装体晶体结构的影响来探索有机分子在氢键组装过程中的一些规律。
作者以1,3,5-三(4’-羧基苯基)金刚烷(TCA)为基本构筑单元首次系统地构筑了一系列具有Borromean环状拓扑结构的有机分子晶体。其中,TCA自身通过分子间氢键形成二维的Borromean组装体,而TCA与甲醇的共结晶则是一个混杂的二维Borromean组装体。直线形的连接子如吩嗪、4,4’-联吡啶和TCA组装成三维n-Borromean拓扑结构;更长的1,4-二(4’-吡啶基)苯则与TCA组装成更复杂的七重n-Borromean拓扑结构。非直线形连接子如4,4’-偶氮吡啶和2,5-二(4’-吡啶基)环戊酮分别与TCA形成三维的多重互锁结构和层层堆积的二维(6,3)网络结构。六次甲基四胺(HMTA)作为三配位的连接子与TCA组装成四重互穿的(6,3)网络结构。TCA与醋酸分子的共结晶则形成五重互穿的(10,3)b型螺旋结构。
作者利用四(4’-羧基苯基)甲烷分子(H4MTB)为基本构筑单元构筑得到系列金刚石型晶体结构。H4MTB和HMTA组装成五重互穿的金刚石型晶体结构。H4MTB和吩嗪的共结晶形成七重互穿的金刚石型网络结构。H4MTB和更长的4,4’-联吡啶组装得到十八重互穿的Class IIlb金刚石型晶体结构。这是已知的最大互穿数目的金刚石型晶体结构。而非直线形的连接子如4,4’-偶氮吡啶和1,2-二(4’-吡啶基)乙烯则和H4MTB组装形成三重互穿的pcu型晶体结构。
以上研究结果表明:通过巧妙的选择构筑模块以及采用合适的分子间作用力,作者就有可能实现对超分子组装体晶体结构的调控;而毫无疑问的是,构筑模块和连接子的结构与对称性都会影响到最终组装体的拓扑结构。