稀土及过渡金属多元羧酸配位聚合物的合成、结构及荧光传感性质

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配位聚合物作为一种新兴的晶态材料,凭借其独特的结构可剪裁性、可功能化等特性受到了化学工作者的广泛关注,成为化学、材料学等领域的研究热点。目前,配位聚合物在气体存储与分离、分子识别、催化、能量存储与转化以及光学和磁学等方面表现出巨大的应用前景。然而,可控合成出具有既定目标结构与性质的配位聚合物仍是一项艰巨的挑战。本论文一方面从调控配位聚合物的结构出发,旨在研究有机配体结构和金属离子种类等因素对化合物结构的影响;另一方面通过研究配位聚合物的性质,开发其功能和应用前景。我们通过改变有机配体结构及金属中心种类,共得到了十八个结构新颖的配位聚合物,分析了它们的晶体结构并且主要研究了它们的荧光传感性质。主要取得以下成果:  1.以芴衍生的芳香二元羧酸作为阴离子配体,合成了三例稀土配位聚合物,[Gd(L1)1.5(DEF)]n(1),[Eu(L1)1.5(DEF)]n(2),[Tb(L1)1.5(DEF)]n(3)。化合物2加热至250℃后失去溶剂转变为其无溶剂的样品,分子式为[Eu(L1)1.5]n(2a)。2a分散在DMF中形成的悬浊液显示较强的荧光发射,该荧光发射能被丙酮、硝基爆炸物淬灭,尤其是TNP(淬灭常数为6.24×104M-1),可作为高效的荧光传感器检测TNP。  2.以咪唑盐类芳香二元羧酸1,3-bis(4-carboxyphenyl)imidazolium(H2L2Cl)作为阴离子配体,与一系列稀土离子组装,成功地合成了十个稀土-有机配位聚合物,{[Ln(L2)2(OH)]·3H2O}n(4-6)(Ln=Pr,Nd,Sm),{[Ln(L2)2(COO)(H2O)2]·H2O}n(7-13)(Ln=Eu,Gd,Tb,Dy,Tm,Yb,Y)。采用稀土离子共掺杂方式,以同结构的稀土有机框架材料为基础,合成了同时含有两种稀土特征发射峰的共掺杂的有机框架材料:EuxTb1-xL。通过改变Eu和Tb的掺杂比例,实现了从绿到黄绿、黄、橙、橙红、红光的变化。通过改变激发波长,不仅得到了黄、黄绿光发射,还得到了白光发射。与此同时,基于温度依赖的荧光行为,我们设计并制备了一种具有内参性质且适用于低温到室温(40 K-300 K)的荧光温度传感器。它利用内在的Eu和Tb的特征的发射及其之间随温度变化的能量传递使其存在内参的作用,从而能克服大多数荧光温度传感器因依赖于单峰发射而产生的测量误差。  3.以一种磺酸羧酸4,8-disulfonyl-2,6-naphthalenedicarboxylic acid(H4L3)作为单一的有机配体,与不同的金属离子反应,得到了四个结构新颖的金属配位聚合物,{[Me2NH2]0.125[In0.125(H2L3)0.25]·xDMF}n(14),[Cu(H2L3)(DMF)4]n(15),[Ca(L3)0.5(DMF)2.5]n(16),[Cd(L3)0.5(DMF)2]n(17)。通过后修饰的方法,稀土离子和阳离子染料可与化合物14中的二甲胺阳离子(Me2NH2+)交换,得到Ln3+@14和Dye@14。Eu3+@14显示出强烈的Eu3+离子的红色的特征峰,而其它Ln3+@14却只是配体的发射峰而没有稀土的特征峰,因而该材料可用于检测不同的稀土离子。该材料是一个阴离子骨架,因而只和阳离子染料进行交换,因此可用于选择性吸附阳离子染料。而交换了荧光染料罗丹明B后,该材料实现了双峰发射,可用于检测DMF分子和区分结构相似的有机小分子。化合物15-17中存在可以解离出质子的自由羧基和使水分子极化的氧原子,赋予了三种化合物表现出质子导电性质。而化合物15中存在质子迁移的氢键网络,因而具有较强的质子传导性能,电导率为3.46×10-3 S·cm-1。  4.利用含氮杂环的芳香二元羧酸(H2L4)作为阴离子配体,与Gd3+离子组装,成功地合成三维稀土-有机配位聚合物,[Gd(L4)(HCOO)]n(18)。化合物18的晶体结构具有较高的热稳定性(可达400℃);并在较宽的pH范围内(pH=2-10)能稳定存在。染料标记的ssDNA的荧光发射能被化合物18有效地淬灭,形成一个ssDNA-化合物18复合物。在加入目标DNA序列或Hg2+离子后,ssDNA形成dsDNA,脱离化合物18的表面,荧光可以恢复。因此,该体系可以作为荧光传感平台。我们进一步研究证明了该传感平台具有区分互补DNA和不匹配DNA序列的选择能力。
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