基于1,3,5-三(4-羧基苯基)苯的孔性配位聚合物形成的影响因素研究

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作为超分子化学和晶体工程的一个重要研究领域,孔性配位聚合物近年来已引起化学家们的广泛关注,这类化合物不仅在气体吸附、离子交换、催化、磁性材料、光电子器件等方面具有潜在的应用价值,而且还具有美丽的结构,例如分子格子、分子砖、分子笼、金刚石结构及蜂窝状结构等。其中运用高对称多齿配体和金属离子构筑的金属-有机骨架结构非常引人注目,但是如何实现目标化合物的结构和性能,即合理的设计和有效的合成仍是一个巨大的挑战。本论文对高对称刚性芳香三酸配体—1,3,5-三(4-羧基苯基)苯(H3BTB)的配位聚合物形成的影响因素进行了较为系统的研究,其中包括溶剂、反应温度、溶液酸度等因素。第一章为绪论,概述了目前孔性配位聚合物的研究进展,重点介绍了孔性配位聚合物的网格合成策略,并总结了影响配位聚合物形成的主要因素。在第二章中,选用了Mg2+离子与配体H3BTB进行组装,主要是研究了不同溶剂对它们的影响情况。当用DMF为溶剂主体成分时,得到了具有单核Mg2+的三维骨架化合物1;改用DMSO为溶剂主体成分,得到的是由新颖的六核簇和BTB构建的三维框架化合物2,它与1结构类似,且具有相同的空间群;若用DMA做溶剂,辅以少量水,形成了一种具有线型三核簇的二维配位聚合物3;但DMA溶液中如果存在着CH3COO离子,可能由于其配位能力强于DMA分子而取代了DMA分子的配位,最终形成了一种由Mg-OCO羧酸链和BTB构建的三维结构4;当溶剂换为DEF时,生成了一种非穿插结构的三维框架化合物5,它同时具有二核和线型三核簇,其孔隙率达到79.6%,孔体积为2.19g·cm-3。从配位聚合物1、2及3的形成条件及结构比较中可以看出,DMSO和足量的H20是形成Mg603六核簇的重要因素,而DMA分子在线型三核簇中的端基配位及其空间位阻效应是形成二维层的关键因素。DEF是一种相对较大的分子,它可能是构建配位聚合物5非穿插结构的重要模板剂。第三章选用了In(NO3)3与H3BTB的反应,主要研究了溶液酸度对其生成物结构的影响。固定溶剂DMA及其用量,金属-配体摩尔比为1:2,随着不同量HNO3的加入,分别得到了三种不同的配位聚合物6、7及8。此现象表明,不同量HNO3的加入,可能部分中和了DMA的水解产物二甲胺,从而改变了配体的脱质子速度,最终影响到In(COO)4和BTB构筑模块的构型及产物的结构。将金属-配体的摩尔比调整为3:4时,在适量HN03加入的情况下,得到了第四种配位聚合物9。这说明In3+离子浓度的改变,也影响到它的配位行为。需要说明的是,这四种晶体均为单核三维结构,它们互为多形体。但是,若将溶液主体成分换为DMSO时,得到的配位聚合物10的结构与上面的四个显著不同,它同时拥有一种三核和两种四核的In-O簇,不过其拓扑结构却类似于配位聚合物2。第四章则选用了过渡金属盐Co(NO3)2·6H20与H3BTB反应,主要研究了溶剂成分的比例和反应温度对Co-O簇形成的影响。在其他条件保持相同的情况下,适当改变DMF和水的用量以及反应的温度,得到分别含有不同Co-O簇的化合物11、12及13。结果表明,适中的温度(105℃)和较多量DMF的加入,有利于C030三核簇的形成;而较高温度(125℃)和溶剂DMSO则是生成Co4O四核簇的关键因素;在适量DMF存在的情况下较低温度(95℃)和较多量的水则有利于C0603六核簇的生成。此外,我们还对具有相似结构的12和13的气体吸附性质进行了初步研究。由于晶体结构不够稳定,两者的比表面大致相等,对氢气、二氧化碳及甲烷的吸附能力也相当。总之,本论文选用了1,3,5-三(4-羧基苯基)苯作为配体,较为深入地探讨了溶剂、溶液酸度及温度等因素对配位聚合物形成的影响,并详细描述了产物的结构。在丰富了配位聚合物合成化学和结构化学的同时,为进一步通过晶体工程原理设计和合成功能配位聚合物积累了有价值的指导思路。
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