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稀土/过渡金属—有机配位聚合物的设计、合成及性能研究

2020-12-11阅读(260)

稀土/过渡金属—有机配位聚合物的设计、合成及性能研究

论文摘要

具有特殊性能或多功能的金属有机配位聚合物或金属有机骨架材料（MOFs）的研究与材料、物理、生命科学和化学等诸多研究领域密切相关。尤其是研究稀土配合物对于构筑结构新颖的拓扑网络和合成具有独特的光、电、磁、气体分离的新材料等方面具有重要的意义;此外,研究提高MOF材料的憎水性能是解决其工业应用的前提条件,因此具有重大的研究价值。依据晶体工程学原理,本文采用刚性的含氮杂环羧酸配体与过渡金属离子（4d）和稀土离子（4f）合成了一系列结构新颖的4f及4d-4f配位聚合物,探讨了它们的发光、吸附和传感等性能;此外,采用对苯二甲酸与4,4’-联吡啶/4,4’-联吡啶衍生物,在溶剂热条件下与过渡金属自组装成多个MOF新材料,深入探讨疏水基团的引入及其取代位置对MOF材料憎水性能的影响。论文的主要研究内容有:第1章介绍了本课题的研究背景,包括基于过渡金属离子、稀土离子或者稀土-过渡混合金属离子构筑的具有光、电、磁、吸附、分离、传感等性能的功能配位聚合物的研究现状和应用,并简要论述了本论文的选题依据。第2章探讨了水热条件下4-吡啶甲酸与反丁烯二酸发生原位脱羧和脱水配体耦合反应,并研究了通过原位配体反应生成的新配体构筑成二维配位聚合物的荧光性能。通过控制反应条件,采用浓硝酸作为氧化剂和酸性调节剂,在一定的温度和压力下,反丁烯二酸发生脱羧反应生成二氧化碳和3-羟基丙酸:二氧化碳进一步自身还原耦合生成草酸;3-羟基丙酸与质子化的4-吡啶甲酸通过脱水反应耦合生成3-（4-吡啶甲酸）丙酸。两组新配体与体系中的Eu3+离子进一步构筑成一个新的稀土配位聚合物,{[Eu（C9H8NO4）（C2O4）]·2H2O}n （1）,1由一维链Eu-oxalate和3-（4-吡啶甲酸）丙酸配体构筑而成,展现出二维层状结构,常温固态下在359 nm波长激发下发生特征的红色荧光,荧光衰减结果表明1的荧光寿命为368.5微秒。第3章描述了分别以2,6-吡啶二羧酸（H2pydc）和4-吡啶甲酸（HIN）为桥联配体合成了四个稀土-过渡混合金属配位聚合物,其组成分别为:[AgLn（pydc）2（H2O）3]·x（H2O） [Ln = Eu, x = 1.25 （2）; Ln = Tb, x = 1.25 （3）],和LnAg（OX）（IN）2·H2O （Ln = Nd （4）; Eu （5））。荧光谱图结果表明含Eu和Tb的配合物在可见光区具有亮而窄的特征荧光发射,荧光衰减曲线表明,2、3和5的荧光寿命分别为431.8、886.8和756.6微秒。第4章在水热条件下,浓硝酸作为氧化剂和酸性调节剂,5-甲基-吡嗪-2-羧酸发生原位甲基氧化和脱羧耦合反应生成两种新配体:2,5-吡嗪二羧酸和草酸,与Eu3+离子进一步自组装成具有一维通道的三维微孔稀土金属有机配位聚合物[Eu2（μ2-pzdc）（μ4-pzdc）（μ2-ox）（H2O）4]·8H2O （6）。研究结果发现,通过原位配体反应不但可以简化反应物原料,缩短反应时间,更重要是增大了晶体尺寸,提高了晶体纯度。配合物6中含有1D亲水孔道和动力学半径为2.1?大小的孔径,除去游离客体分子后的6a的荧光强度具有溶剂效应,对丙酮具有选择性识别,可用于荧光探针。第5章采用配体合成策略,在第二配体4,4’-联吡啶的2-和3-位上分别引入相同数量的疏水基团（甲基）后,与对苯二甲酸及过渡金属离子(Zn2+)在溶剂热条件下合成了两个含有1D通道的三维二重穿插MOF材料, [Zn2（BDC）2（P2）]·（DMF）2·（H2O） （SCUTC-18）和[Zn2（BDC）2（P3）]·（DMF）·（H2O）2 （SCUTC-19）。研究结果表明,与无疏水基团的有机配体构筑的MOF-508 [Zn2（BDC）2（P1）]·（DMF）·（H2O）2]相比,疏水基团的引入能大大提高MOF材料的憎水性,而且,相同数量不同位置上的疏水基团对MOF材料憎水性能又有明显区别:疏水基团越靠近金属-羧基氧簇中心,憎水性能越强。此外,SCUTC-18对甲苯具有良好的吸附性能,可应用于除去室内有毒挥发性气体。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 配位化学的研究历史和现状
  • 1.2 分子自组装和超分子化学
  • 1.3 晶体工程
  • 1.4 多维体系的组装
  • 1.5 稀土金属有机配合物及光谱理论
  • 1.5.1 稀土离子的电子组态
  • 1.5.2 发光稀土离子的分类
  • 1.5.3 稀土有机配合物发光理论
  • 1.5.4 发光稀土有机配合物的类型
  • 1.5.5 发光稀土有机配合物的应用
  • 1.5.6 过渡-稀土金属异核配合物
  • 1.6 金属有机骨架化合物（MOF）
  • 1.6.1 金属有机骨架化合物的简介
  • 1.6.2 金属有机骨架化合物的分类
  • 1.6.2.1 团簇或零维骨架化合物
  • 1.6.2.2 一维金属有机骨架化合物
  • 1.6.2.3 二维金属有机骨架化合物
  • 1.6.2.4 三维金属有机骨架化合物
  • 1.6.3 金属有机骨架化合物的发展
  • 1.6.4 金属有机骨架化合物的应用
  • 1.7 本论文的选题意义及取得的研究进展
  • 参考文献
  • 第二章 水热条件下反丁烯二酸和4-吡啶甲酸的原位脱羧和脱水耦合配体反应研究
  • 2.1 实验部分
  • 2.1.1 试剂和仪器
  • 2.1.2 合成
  • 2.2 1 的晶体结构
  • 2.3 1 的荧光谱图及荧光寿命
  • 2.4 原位配体脱酸和水解反应机理的探讨
  • 2.5 小结
  • 参考文献
  • 第三章 吡啶羧酸类配体桥联的4D-4F异核发光体的合成及荧光性能研究
  • 3.1 实验部分
  • 3.1.1 试剂和仪器
  • 3.1.2 合成
  • 3.2 配合物2-3 的晶体结构
  • 3.3 配合物4-5 的晶体结构
  • 3.4 配合物2-5 的红外、热稳定性、荧光谱图及荧光寿命
  • 3.4.1 配合物2-5 的红外分析
  • 3.4.2 配合物2 和5 的热稳定性分析
  • 3.4.3 配合物2、3 和5 的荧光光谱及荧光寿命分析
  • 3.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 基于原位配体反应构筑的稀土金属有机框架化合物的荧光探针性能研究
  • 4.1 实验部分
  • 4.1.1 试剂和仪器
  • 4.1.2 合成
  • 4.2 配合物6 的晶体结构
  • 4.3 6的红外、热稳定性、多孔性理论计算及N2 吸附等温曲线
  • 4.3.1 红外分析
  • 4.3.2 热稳定性分析
  • 4.3.3 多孔性理论计算及N2 吸附等温曲线
  • 4.3.4 6 的荧光性质及对丙酮分子的选择性传感功能研究
  • 4.3.5 6a对丙酮分子选择性传感机理探讨
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 有机配体中疏水基团的引入及其位置对MOF材料憎水性能影响的研究
  • 5.1 实验部分
  • 5.1.1 试剂和仪器
  • 5.1.2 合成
  • 5.2 三维层柱式微孔MOF-508, SCUTC-18, SCUTC-19 的晶体结构
  • 5.3 MOF-508, SCUTC-18, SCUTC-19 的红外及热重分析
  • 5.3.1 红外分析
  • 5.3.2 热稳定性分析
  • 5.4 MOF-508, SCUTC-18, SCUTC-19 动力学吸附水蒸气和吸附甲苯效应的TG行为研究
  • 5.4.1 实验部分
  • 5.4.2 结果分析
  • 5.5 MOF-508, SCUTC-18, SCUTC-19 的XRD粉末衍射图
  • 5.6 疏水基团位置不同的影响
  • 5.7 MOF-508, SCUTC-18, SCUTC-19 的N2 吸附-脱附等温线
  • 5.8 MOF-508, SCUTC-18, SCUTC-19 的甲苯物理吸附-脱附等温线
  • 5.9 SCUTC-18 的等量吸附热理论计算
  • 5.10 本章小结
  • 参考文献
  • 结论
  • 附录 相关结构的X-射线衍射分析数据
  • 攻读博士学位期间取得的研究成果
  • 致谢

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