黃妙齡 翁文婷 陳 強(qiáng)
(泉州師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,化工輕工清潔生產(chǎn)技術(shù)協(xié)同中心,泉州 362000)
金屬離子導(dǎo)向的分子自組裝研究是配位超分子化學(xué)的一個(gè)重要的組成部分。根據(jù)金屬離子配位構(gòu)型的需求,有機(jī)配體的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件等諸多因素,人們已經(jīng)合成了一系列如螺旋、分子梯、墻磚式等一維,二維,三維網(wǎng)狀配位聚合物[1-10]。研究表明:分子自組裝的形式和金屬配體的構(gòu)型主要由中心原子的配位構(gòu)型和有機(jī)配體的結(jié)構(gòu)所決定。當(dāng)然,金屬離子和配體的摩爾比及反應(yīng)條件也可影響配位聚合物的構(gòu)型。另外,金屬離子本身不僅可以作為配位聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn),還可以通過(guò)某些橋聯(lián)配體或者橋連原子的作用形成特定的SBUs(次級(jí)構(gòu)筑單元)。而這些SBUs可以進(jìn)一步作為節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[11-13]。因此,選擇合適的具有特定官能團(tuán)的有機(jī)合成子和橋聯(lián)金屬離子構(gòu)建特定的功能材料已在許多交叉學(xué)科中得到快速發(fā)展,如晶體工程、配位化學(xué)、超分子化學(xué)和材料科學(xué)等[14-16]。本文通過(guò)芳香羧酸的磺?;苌锱c含氮橋螯合配體菲咯啉和相應(yīng)的過(guò)渡金屬鹽在常規(guī)溶液中自組裝反應(yīng),得到了4個(gè)配位化合物,并對(duì)它們的電化學(xué)和熒光性質(zhì)進(jìn)行了研究。
N-對(duì)甲苯磺酰對(duì)氨基苯甲酸為自制藥品,其它所有試劑均為分析純,使用時(shí)未進(jìn)行純化。美國(guó)Nicolet iS10型FT-IR紅外光譜儀(KBr壓片),光譜范圍 4 000~400 cm-1;德國(guó) NETZSCH STA 409 PC型綜合熱分析儀 (在N2氣氛中,升溫速率10℃·min-1);德國(guó)Bruker SMART APEXⅡCCD單晶衍射儀;國(guó)產(chǎn)CHI660d電化學(xué)工作站;美國(guó)VARIAN Cary/Eclipse熒光分光光度儀。
對(duì)甲苯磺酰氯與對(duì)氨基苯甲酸按1:1的物質(zhì)的量比混合,置于500 mL的燒杯中,加入適量的蒸餾水,用NaOH調(diào)節(jié)至pH=10,同時(shí)在冰水浴中反應(yīng)1 d,過(guò)濾。濾液用濃HCl調(diào)至pH=2,產(chǎn)生白色沉淀,抽濾,得白色固體,放入烘箱干燥20 h后,研磨至粉末備用。
配合物1到4的合成方法均相似,只是過(guò)渡金屬鹽不同。取1mmol的N-對(duì)甲苯磺酰對(duì)氨基苯甲酸溶于7 mL的N,N-二甲基甲酰胺 (DMF),稱取1mmol的菲咯啉溶于5mL的乙醇,再稱取1 mmol的過(guò)渡金屬鹽溶于5 mL的水中(其中金屬鹽:配合物1為氯化銅、配合物2為氯化鋅、配合物3為醋酸鉛、4為硝酸鉛),將以上3種溶液混合于圓底燒瓶,用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH=5左右,于70℃左右反應(yīng)12 h。冷卻至室溫,過(guò)濾。濾液放置自然揮發(fā)。14 d后得藍(lán)色塊狀晶體1,產(chǎn)率67%;15 d后得無(wú)色塊狀晶體2,產(chǎn)率53%;30 d后得無(wú)色塊狀晶體3和4,產(chǎn)率分別為 61%和 57%。配合物 1,IR(KBr,cm-1):3 528s、1 662s、1 607vs、1 551s、1 519m、1 393vs、1 322s、1 157vs、1 089vs、931m、848s、797s、723s、657 s、575m、546m、464w、418vw。 配 合 物 2,IR(KBr,cm-1):3 527s、1 650w、1 606vs、1 552s、1 518m、1 393 vs、1 333s、1 159vs、1 090vs、921s、848m、782s、726s、670s、577m、547m、469w、425vw。配合物 3,IR(KBr,cm-1):1 655vs、1 594s、1 530s、1 515w、1 383vs、1 336 s、1 160vs、1 091s、921s、847s、787s、722s、657s、580 m、548m、460w、417w。 配合物 4,IR(KBr,cm-1):1 607 s、1 591s、1 537vs、1 515w、1 385vs、1 334s、1 319m、1 152vs、1 087s、922s、850m、783s、727m、660s、576s、547m、462w、417vw。
選取配合物1~4合適大小單晶體,置于Bruker SMART APEXⅡCCD衍射儀上,用石墨單色化的Mo靶 Kα 射線(λ=0.071 073 nm)以 φ-ω 掃描方式分別收集衍射數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)吸收校正,晶體結(jié)構(gòu)用SHELXS-97程序通過(guò)直接法解析,用SHELXL-97程序基于F2對(duì)全部非氫原子坐標(biāo)及其各向異性熱參數(shù)進(jìn)行全矩陣最小二乘法精修。配合物1~4的晶體學(xué)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)精修參數(shù)列于列于表1,主要鍵長(zhǎng)和鍵角列于表2,有關(guān)氫鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角列于表3。
CCDC:968877,1;824654,2;939749,3;939748,4。
2.1.1 配合物[Cu(Ts-p-aba)2(phen)(H2O)]n(1)的晶體結(jié)構(gòu)
配合物1為1D鏈狀結(jié)構(gòu)(圖1a),其不對(duì)稱單元包含1個(gè)Cu2+離子,2個(gè)Ts-p-aba配體,1個(gè)phen分子和1個(gè)配位水分子。有6個(gè)不同原子與中心Cu2+離子配位,其中 2 個(gè) N 原子[N(3)、N(4)]來(lái)自phen分子,4個(gè)氧原子有3個(gè)來(lái)自Ts-p-aba配體,另1個(gè)則由配位水分子提供。Cu-N鍵長(zhǎng)范圍是 0.201 4(2)~0.203 3(3)nm;Cu-O 距離范圍為0.194 5(2)~0.267 5(5)nm, 其 中 Cu-O(7)距 離 為0.238 2(2)nm,Cu-O(6)#1距離為 0.267 5(5)nm,相對(duì)Cu-O(3)和Cu-O(9)的距離拉長(zhǎng)了許多,因此Cu2+離子的配位環(huán)境為拉長(zhǎng)的八面體幾何構(gòu)型。O(7)和 O(6)#1占據(jù)軸向位置,∠O(6)#1-Cu(1)-O(7)=172.81(58)°;N(3)、N(4)、O(3)和 O(9)原子位于赤道位置,扭轉(zhuǎn)角∠N(4)-O(3)-O(9)-N(3)=2.52°,接近共平面。配體Ts-p-aba在配合物中有2種配位模式:一種是以單齒羧基氧原子與Cu2+離子配位;另一種除了單齒羧基氧原子與Cu2+離子配位外,-SO2基上的氧原子也參與了配位,這2個(gè)氧原子與Cu2+離子的配位作用較弱,鍵長(zhǎng)較長(zhǎng),使整個(gè)分子形成一維鏈。Cu…Cu距離為1.370 72(12)nm,Cu-Cu-Cu之間的夾角是180.000(4)°,說(shuō)明一維鏈上的每個(gè)Cu2+離子都在同一直線上,phen分子的H原子與相鄰鏈上主配體Ts-p-aba中未參與配位的O原子形成了CH…O 弱氫鍵(表 3),其中 C(36)-H(36)…O(4)將配合物 1 擴(kuò)展為 2D 網(wǎng)格狀(圖 1b),C(30)-H(30)…O(1)進(jìn)一步將配合物擴(kuò)展為3D超分子結(jié)構(gòu)(圖1c)。
表1 配合物1~4的晶體學(xué)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)精修參數(shù)Table 1 Crystal data and structure parameters of complexes 1~4
表2 配合物1~4的鍵長(zhǎng)和鍵角Table 2 Selected Bond lengths(nm)and bond angles(°)for complexes 1~4
續(xù)表1
表3 配合物1~4的氫鍵鍵長(zhǎng)和鍵角Table 3 Parameters of hydrogen bonds for the complexes 1~4
圖1 配合物1的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of complex 1
2.1.2 配合物[Zn(Ts-p-aba)2(phen)(H2O)]·H2O(2)的晶體結(jié)構(gòu)
配合物2是一個(gè)單分子配合物(圖2a),由1個(gè)鋅離子(Zn2+)、2 個(gè) Ts-p-aba、1 個(gè) phen、1 個(gè)配位水分子和1個(gè)結(jié)晶水組成的 (其中這個(gè)結(jié)晶水分子是由3個(gè)在晶胞中的占有率分別為0.3、0.3、0.4的水分子組成)。鋅離子周圍有5個(gè)原子與之配位。2個(gè)氮原子[N(1)、N(2)]來(lái)自于配體菲咯啉(phen),3 個(gè)氧原子[O(1W)、O(2)、O(4)]由配位水和配體 Ts-p-aba 的羧基氧原子提供。這5個(gè)原子在鋅離子周圍形成一個(gè)畸變的四角錐體的配位環(huán)境,其中O(2)在頂點(diǎn),N(1)、N(2)、O(4)、O(1W)在底部,4 個(gè)原子接近共平面[扭轉(zhuǎn)角為∠O(1W)-O(4)-N(2)-N(1)=5.56°]。 2 個(gè) Ts-paba配體的羧基均以單齒方式與中心Zn2+離子配位,整個(gè)分子呈“人”字型。相鄰配合物分子間通過(guò)phen分子的H原子與配體Ts-p-aba中未參與配位的氧原子及磺?;?-SO2)上的氧原子形成了C-H…O弱氫鍵,將配合物2擴(kuò)展為2D網(wǎng)格狀(圖2b)。
圖2 配合物2的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of complex 2
2.1.3 配合物[Pb(Ts-p-aba)2(phen)]2(3)的晶體結(jié)構(gòu)
配合物3是一個(gè)二聚體分子(圖3a),由2個(gè)鉛離子、2個(gè)phen以及4個(gè)Ts-p-aba組成。在配合物3中,鉛離子為六配位,其中2個(gè)氮原子[N(2)、N(3)]來(lái)自于配體 phen;4 個(gè)氧原子[O(1)、O(2)、O(5)和 O(6)]由配體Ts-p-aba的羧基的氧原子提供。Ts-p-aba的2個(gè)氧原子(O1、O2)為雙齒橋聯(lián)模式,把相鄰2個(gè)鉛離子連接在一起,而另外1個(gè)配體上的2個(gè)氧原子[O(5)、O(6)]為雙齒螯合模式。Pb(II)的配位多面體為畸變的八面體構(gòu)型,O(2)-Pb(1)-N(4)鍵角為144.65°,位于八面體的軸向位置;O(1)、N(3)、O(5)、O(6)位于八面體的赤道平面,O(1)#1-O(5)-O(6)-N(3)的扭轉(zhuǎn)角為6.08°,接近于共平面。配合物中還存在著分子間氫鍵 N(1)-H(1)…O(7)和 N(2)-H(2)…O(1),起著穩(wěn)定分子的作用,且把配合物分子擴(kuò)展為3D超分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖 3b)。
2.1.4 配合物{[Pb(Ts-p-aba)(phen)(NO3)](DMF)}n(4)的晶體結(jié)構(gòu)
圖3 配合物3的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of complex 3
圖4 配合物4的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of complex 4
配合物4是1D聚合鏈結(jié)構(gòu)(圖4a)。與配合物3相比,配合物4的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜些。其不對(duì)稱單元包含1個(gè)鉛離子 (Pb2+)、1個(gè)Ts-p-aba配體、1個(gè)phen分子、1個(gè)硝酸根和1個(gè)游離的DMF分子。中心Pb2+離子處于變形的一面心八面體配位環(huán)境中 (圖4b),其中 O(3)和 O(5A)位于兩極,O(3B)、O(6A)、N(2)和N(3)位于赤道上,扭轉(zhuǎn)角∠O(3B)-O(6A)-N(2)-N(3)=-11.297(2)°,O(4)在 O(3)、N(2)和 N(3)組成的面上方。相鄰兩個(gè)Pb2+離子通過(guò)二齒橋聯(lián)的硝酸根組成[Pb2O4N2]重復(fù)結(jié)構(gòu)單元,每個(gè)[Pb2O4N2]結(jié)構(gòu)單元再通過(guò)配體Ts-p-aba羧基上的O原子相互連接成1D島形鏈結(jié)構(gòu)。配體Ts-p-aba羧基氧原子的配位方式為螯合加單齒橋聯(lián)。[Pb2O4N2]結(jié)構(gòu)單元為中心對(duì)稱,2個(gè)菲咯啉分別處于1D鏈的上下兩側(cè)。相鄰分子間的菲咯啉的吡啶環(huán)N(2)-C(24)-C(23)-C(22)-C(21)-C(25)與苯環(huán) C(25)-C(26)-C(21)-C(20)-C(19)-C(18)及吡啶環(huán)N(3)-C(15)-C(16)-C(17)-C(18)-C(26)部分重疊,環(huán)與環(huán)之間的質(zhì)心距離為0.357 9 nm和0.369 7 nm,芳環(huán)的法線與質(zhì)心矢量的夾角分別為1.94°和2.73°,說(shuō)明分子間產(chǎn)生 π-π 堆積效應(yīng)[17]。 這個(gè) π-π堆積將配合物擴(kuò)展為2D超分子結(jié)構(gòu)(圖4c)。分子中沒(méi)有參與配位的游離DMF(N,N-二甲基甲酰胺)分子通過(guò)弱氫鍵C-H…O相互連接,鑲嵌在2D超分子中,起著穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)的作用(圖4d)。
采用KBr壓片法在4 000~400 cm-1范圍內(nèi)測(cè)定了配體和配合物的紅外光譜,表4列出各物質(zhì)的主要特征紅外光譜數(shù)據(jù)。從表中可見(jiàn),4個(gè)配合物中羧基的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰均發(fā)生了不同程度的位移,這是因?yàn)轸然械难踉訁⑴c了配位,氧原子上的孤對(duì)電子被拉向金屬離子,-C=O鍵力常數(shù)減小,造成觀測(cè)到的羧基頻率減小[18]。配合物2~4中-SO2的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰基本不變,-SN鍵的振動(dòng)吸收峰也基本不變,說(shuō)明這2個(gè)基團(tuán)的原子沒(méi)有參與配位,而配合物1中-SO2的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰移動(dòng)了14 cm-1。說(shuō)明-SO2基團(tuán)中的氧原子可能參與配位,晶體解析證實(shí)了這一點(diǎn)。但此配位鍵較弱,Cu-O鍵長(zhǎng)為0.278 5(5)nm比正常的Cu-O配位鍵稍長(zhǎng)些。
配體菲咯啉在 1 597、1 421、853 和 738 cm-1分別為C=N的伸縮振動(dòng)峰,為C=C骨架振動(dòng),為C-H面外彎曲振動(dòng)。形成配合物以后,配合物1分別移至 1 551、1 393、848和 723 cm-1; 配合物 2分別移至 1 552、1 393、848 和 726 cm-1;配合物 3 分別移至1 537、1 385、850 和 727 cm-1; 配合物 4 分別移至1 530、1 383、847 和 722 cm-1;其中 4 個(gè)配合物的C=N伸縮振動(dòng)峰移動(dòng)較多,其它吸收峰移動(dòng)較少,說(shuō)明菲咯啉的2個(gè)氮原子均與中心離子發(fā)生了配位[19]。
分析配合物的TG-DSC曲線(圖5)可知:配合物1第一階段失重出現(xiàn)在180~186℃,失重2.87%,約為1個(gè)配位水(理論值為2.14%),在186℃出現(xiàn)1個(gè)小的吸熱峰;接著配合物一步分解完成,并在480℃處有1個(gè)很強(qiáng)的放熱峰;到523℃趨于恒重,殘重9.74%,估計(jì)殘余物為CuO(理論值為9.50%)。配合物2是分步分解的,第一階段失重出現(xiàn)在70~108℃,失重3.29%,約為1個(gè)結(jié)晶水分子 (理論值2.09%);第二階段 108~145℃,失重 2.60%,約為 1個(gè)配位水分子(理論值2.09%);同時(shí)在108℃和145℃處出現(xiàn)2個(gè)小的吸熱峰;145~265℃之間出現(xiàn)一平臺(tái),265℃后又開(kāi)始失重,并出現(xiàn)1個(gè)很強(qiáng)的放熱峰,到820℃時(shí)趨于恒重,最后殘重9.50%,估計(jì)剩余產(chǎn)物為氧化鋅(理論值9.39%)。配合物3的熱穩(wěn)定性較好,從255℃開(kāi)始分步失重,到905℃時(shí)恒重,殘重43.67%,估計(jì)剩余產(chǎn)物為PbO(理論值為46.07%)。配合物4也是分步分解,第一階段失重出現(xiàn)在120~226℃,失重9.22%,約為1個(gè)DMF溶劑分子 (理論值為8.99%),到974℃趨于恒重,殘重33.30%,估計(jì)殘余物為PbO(理論值為27.46%),殘余物比理論理值稍高些,可能是積碳的原因,分解的碳不能馬上生成氣體而夾在氧化鉛中,導(dǎo)致殘重含量高于理論值[20]。
表4 配體及配合物的主要紅外光譜吸收峰Table 4 More relevant infrared bands for complexes 1~4 and ligand cm-1
圖5 配合物1~4的TG-DSC曲線Fig.5 TG-DSC curves of the complexes 1(a),2(b),3(c)and 4(d)
采用三電極體系,玻碳為工作電極、鉑電極為輔助電極、SCE為參比電極,以DMF和水為溶劑,配合物的濃度為 1 μmol·L-1,2 mol·L-1KCl溶液為支持電解質(zhì)。在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行測(cè)定,從-1.0~1.2 V進(jìn)行掃描,掃描速度為0.05 V·s-1。從循環(huán)圖形來(lái)看,配合物1有1對(duì)氧化還原峰對(duì)應(yīng)于電對(duì)Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的電子轉(zhuǎn)移,陰極峰和陽(yáng)極峰的電位分別是Epc=-0.513 V,Epa=-0.337 V,從 ΔE=0.176 V 和 ipc/ipa=4.26,可以判別電解中電子轉(zhuǎn)移是可逆的。配合物2有1對(duì)氧化還原峰對(duì)應(yīng)于電對(duì)Zn(Ⅱ)/Zn(0)的電子轉(zhuǎn)移,陰極峰和陽(yáng)極峰的電位分別是Epc=-0.591 V和Epa=0.009 V,從ΔE=0.600 V和ipc/ipa=0.704,可以判別電解中電子轉(zhuǎn)移是可逆的。配合物3只有1個(gè)還原峰,電位Epc=-0.955 V,ipc=0.180 μA,因此電子轉(zhuǎn)移為不可逆。配合物4也只有1個(gè)還原峰,電位Epc=-0.609 V,ipc=0.180 μA,因此電子轉(zhuǎn)移為不可逆。
圖6 配合物1~4的循環(huán)伏安圖Fig.6 Cyclic voltammograms of the complexes 1(a),2(b),3(c)and 4(d)
室溫下,以N,N-二甲基甲酰胺為溶劑,配體和配合物濃度均為1×10-5mol·L-1,在熒光分光光度儀上測(cè)定了室溫下配體和配合物在300~500 nm的發(fā)射光譜(見(jiàn)圖 7)。
圖7 配體和配合物2~4的發(fā)射光譜Fig.7 Fluorescence emission spectra of the ligand(a)and complexes 2(b),3(c)and 4(d)
由圖7可見(jiàn),配體Ts-p-aba在λem=336 nm處(λex=289 nm), 配合物 2 在 λem=336 nm 處 (λex=292 nm),配合物 3 在 λem=336 nm 處(λex=300 nm),配合物4在λem=336 nm處(λex=292 nm)均有熒光峰。配合物與配體Ts-p-aba的熒光光譜相似,說(shuō)明配合物的熒光發(fā)射光譜主要來(lái)自配體Ts-p-aba的電荷躍遷,屬LLCT發(fā)射(配體發(fā)射)。主配體Ts-p-aba的熒光峰較弱,因?yàn)榕潴w分子中2個(gè)苯環(huán)不共面,共軛程度差[21]。生成配合物后,配合物2~4的熒光吸收強(qiáng)度均有較大的增加。這是因?yàn)榻饘匐x子配位增加了配體的電子共軛程度,減少了配體內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移帶來(lái)的能量損失,且結(jié)構(gòu)剛性增強(qiáng)的結(jié)果。3個(gè)配合物的熒光強(qiáng)度順序?yàn)?<3<4,這與配合物的結(jié)構(gòu)有關(guān)系,2為單分子,3為二聚體,4為聚合物,配合物中配體的剛性逐漸增強(qiáng),且4中還存在著π-π堆積作用,因此熒光峰特別強(qiáng)。配合物1的熒光強(qiáng)度比配體還弱(在圖中沒(méi)有體現(xiàn)),可能是因?yàn)榕潴w的熒光被銅離子猝滅的結(jié)果。
利用磺?;瘜?duì)氨基苯甲酸及菲咯啉配體與3種不同金屬離子自組裝了4個(gè)配位化合物:[Cu(Tsp-aba)2(phen)(H2O)]n(1),[Zn(Ts-p-aba)2(phen)(H2O)]·H2O(2),[Pb(Ts-p-aba)2(phen)]2(3),{[Pb(Ts-p-aba)(phen)(NO3)](DMF)}n(4)。配合物1和4為一維直線鏈狀結(jié)構(gòu),配合物2和3分別為零維單核分子和二聚體。中心離子的配位環(huán)境也不同,配合物1和3的中心離子Cu2+和Pb2+具有相似的八面體配位環(huán)境,而配合物2和4的中心離子Zn2+和Pb2+則分別具有四角錐和一面心八面體的配位環(huán)境。配體N-對(duì)甲苯磺酰對(duì)氨基苯甲酸在配合物1中采取雙齒橋聯(lián)的配位方式(其中磺酰基中的氧原子也參與配位,其它配合物中磺?;难踉泳鶝](méi)參與配位),2中采取單齒配位方式,3中采取雙齒橋聯(lián)/雙齒螯合的配位方式,在4中則是螯合加單齒橋聯(lián)。4個(gè)配合物組成和結(jié)構(gòu)各不相同,導(dǎo)致熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性質(zhì)也各不同。隨著聚合度增加配合物2、3、4的熒光強(qiáng)度也依次增大。這些結(jié)果說(shuō)明,金屬離子在此體系中起著導(dǎo)向作用,由于金屬離子不同,導(dǎo)致配合物的晶體結(jié)構(gòu)有很大的差異。從配合物3和4的結(jié)構(gòu)來(lái)看,金屬鹽的陰離子對(duì)配合物的結(jié)構(gòu)也有很大影響。
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無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)2014年9期