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        基于氮氧化煙酸Cd(Ⅱ)配合物的合成、結(jié)構(gòu)和熒光性質(zhì)研究

        2019-10-18 02:24:06康祎璠陳一桐楊欣慧楊欣玉
        陜西科技大學學報 2019年5期
        關鍵詞:網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)羧酸基團

        康祎璠,張 嶺,靳 猛,劉 俠,陳一桐,楊欣慧,楊欣玉

        (陜西科技大學 化學與化工學院 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室,陜西 西安 710021)

        0 引言

        近20年來,金屬-有機骨架材料的發(fā)現(xiàn)引起了化學領域的一場新革命.金屬-有機骨架材料也叫配位聚合物(簡稱配合物),是指金屬離子經(jīng)有機橋連體橋接而成的復合多孔晶體材料[1].金屬-有機骨架材料合成靈活,在適當?shù)臈l件下調(diào)控結(jié)合合適的有機連接劑(離子、簇、鏈等)和金屬離子,從而容易地調(diào)整其結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)和功能.具有高度晶態(tài)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙率高、比表面積大、易于修飾等優(yōu)點[2-5];這一系列材料的出現(xiàn)為富有想象力的化學家提供了巨大的化學和結(jié)構(gòu)上的可能,這迅速地促使越來越多的研究人員參與這個新領域.獨特的框架和開放的孔道結(jié)構(gòu)使得金屬有機框架材料在催化[6-8]、氣體吸附與分離[9-11]、藥物負載與癌癥治療[12]、電化學儲能與轉(zhuǎn)化[12-15]、功能發(fā)光和光子材料等領域有著廣泛的應用前景.

        物質(zhì)在適宜條件下吸收能量后,基態(tài)電子躍遷至激發(fā)態(tài),隨之電子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或者更低能級時,多余的能量以光的形式釋放,這個過程稱為發(fā)光[16].按照組成的不同,發(fā)光材料分為三類:具有特定結(jié)構(gòu)的有機共軛體系發(fā)光材料;鑭系金屬和部分過渡金屬[如d10構(gòu)型的Zn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)或金屬鹽組成的無機發(fā)光材料;配位聚合物發(fā)光材料[17].

        柔性的羧酸類配體中O原子含有孤對電子,具有出眾的給電子能力.在眾多的羧酸類配體中,煙酸等雜環(huán)有機羧酸類配體越來越受到研究者的親睞,這是由于共軛結(jié)構(gòu)中有N、O等給電子基團,一方面可以通過吡啶N原子和羧酸O原子進行配位,使得配位模式增加、配位構(gòu)型復雜;另一方面,雜原子可以作為活性位點能夠提高材料的性能.因此,含氮雜環(huán)配體是構(gòu)筑發(fā)光MOF材料的優(yōu)秀配體.氮氧化物是一種比較特殊的配體,其種類繁多.吡啶類氮氧化物中與雜環(huán)N原子直接相連的氧原子電子云密度較大,易與金屬離子配位形成新穎的結(jié)構(gòu).根據(jù)軟硬酸堿規(guī)則(HSAB),在水溶液中,含氮配體不易于稀土元素發(fā)生配位,只可與過渡金屬元素發(fā)生配位,但是將其氧化后,不僅能與過渡金屬發(fā)生配位,還可與稀土金屬元素發(fā)生配位,甚至可以同時結(jié)合兩種不同的金屬,增加了合成的選擇性和多樣性[18-22].

        本文中,氮氧化煙酸(HNNO)有機配體與四水硝酸鎘在不同的反應條件下,合成了兩例配合物,結(jié)構(gòu)分析表明配合物1[Cd(NNO)2]n的環(huán)狀四鏈單元在a方向堆積為鏈狀框架結(jié)構(gòu).并經(jīng)過C-H…O的弱作用連接為平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);配合物2[Cd(NNO)(2-bpy)2NO3]n中輪槳式單元在空間中堆積成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并經(jīng)C-H…O(3.301/3.383 ?)弱作用連接為三維超分子結(jié)構(gòu).

        1 實驗部分

        1.1 儀器及試劑

        (1)主要試劑:四水合硝酸鎘、2,2′-聯(lián)吡啶(2-bpy)在國藥集團化學試劑有限公司購買,以上試劑均為分析純.氮氧化煙酸(HNNO)根據(jù)文獻[23]合成并純化.

        (2)主要儀器:德國Bruker公司的Bruker Smart APEX-II型單晶X-射線衍射儀;日本Rigaku公司的Rigaku RU200型粉末X-射線衍射儀;德國Elemeraor公司的VarioEL III型元素分析儀;德國Bruker公司的VECTOR-22型傅立葉紅外光譜儀;德國Netzsch公司的NETZSCH STA449C型熱重分析儀;英國愛丁堡的愛丁堡FS5型熒光光譜儀.

        1.2 配合物[Cd(NNO)2]n(1)的合成

        準確稱取四水合硝酸鎘(0.061 6 g,0.2 mmol)和HNNO配體(0.027 8 g,0.2 mmol)在乙醇∶DMF=2∶1的混合溶劑中攪拌30 min后,裝入25 mL水熱釜在120 ℃反應條件下反應三天后自然冷卻到室溫,得到無色透明塊狀晶體.產(chǎn)率:64%(基于HNNO配體).元素分析C12H8CdN2O6(%),理論值C,37.089;H,2.075;N,7.208;實測值C,37.09;H,2.08;N,7.3;紅外光譜(KBr,cm-1)3 030(s),2 428(s),1 630(s),1 530(vs),1 400(vs),1 295(s),1 218(vs),1 164(ms),1 020(w),946(vs).

        1.3 配合物[Cd(NNO)(2-bpy)2NO3]n(2)的合成

        準確稱取四水合硝酸鎘(0.061 6 g,0.2 mmol)、HNNO配體(0.027 8 g,0.2 mmol)、輔配2-bpy(0.312 g 0.2 mmol)在乙醇∶DMF=2∶1的25 mL溶劑中攪拌30 min后,封入反應釜.在120 ℃下反應3天,冷卻至室溫,得到無色塊狀晶體.產(chǎn)率58%(基于輔配2-bpy).元素分析C16H12CdN4O6(%),理論值C,41.05;H,2.58;N,11.91;實際值C,41.07;H,2.73;N,12.09;紅外光譜(KBr,cm-1)3 084(m),1 908(w),1 616(s),1 389(vs),1 234(s),932(m),775(s),554(w).

        1.4 配合物晶體結(jié)構(gòu)測定

        選取適合大小的配合物1、2單晶置于Bruker APEX-II CCD單晶X-射線衍射儀上.用經(jīng)過石墨單色器單色化的MoKa射線(λ=0.071 073 nm),50 kV 30 mA以XSCANS程序?qū)ふ已苌浞搴蟛⒕_測定出晶胞參數(shù).以ω-2θ掃描方式,收集衍射數(shù)據(jù),全部強度數(shù)據(jù)經(jīng)Lp校正和吸收校正(MLILTI-SCAN程序SADABS).配合物1-2的晶體結(jié)構(gòu)采用程序SHELXL-14由直接法解得.全部非氫原子經(jīng)Fourier合成及差值電子密度函數(shù)修正,全部氫原子坐標從差值電子密度函數(shù)并結(jié)合幾何分析獲得.全部非氫原子坐標、各向異性溫度因子和氫原子坐標及各向同性溫度因子經(jīng)最小二乘法修正至收斂;所有解析均采用SHELXS-14和SHELXL-14解析程序包完成.配合物1、2的晶體學數(shù)據(jù)如表1所示.

        表1 配合物1和2晶體結(jié)構(gòu)與精修參數(shù)

        注:aR1=||Fo|-|Fc||/|Fo|;bwR2=[w(Fo2-Fc2)2/w(Fo2)2]1/2

        2 結(jié)果與討論

        2.1 配合物1的晶體結(jié)構(gòu)

        X-射線單晶衍射表明,配合物1晶體屬于三斜晶系,空間群為P-1.如圖1(a)所示,配合物1的一個不對稱單元中包含兩個脫質(zhì)子的NNO配體和一個Cd(Ⅱ).中心Cd(Ⅱ)與配體NNO中的O原子配位,為七配位構(gòu)型的五角雙錐結(jié)構(gòu).赤道面上O2A、O2B、O3A、O5C、O6C分別來自于3個NNO-配體的羧酸根,軸向的O1、O4來自于兩個配體氮氧化功能團.Cd-O鍵長2.294(6)-2.528(4)?在合理的范圍之內(nèi)[24].

        (a)配合物1中的金屬離子配位環(huán)境圖

        (b)配合物在空間中的鏈狀框架(四鏈)結(jié)構(gòu)圖1 配合物1的配位環(huán)境圖和鏈狀框架結(jié)構(gòu)(為清晰可見,刪掉氫原子)

        結(jié)構(gòu)中配體有兩種配位方式(圖2(a)、(b)).相近的Cd(Ⅱ)與配體 NNO-上的O2橋連,形成4.94×3.69×3.30?3的空間框架單元.環(huán)狀單元在a方向堆積為鏈狀框架結(jié)構(gòu),并通過C-H…O(2.780?)的弱作用連接為平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

        圖2 配合物中NNO-配體的配位方式

        2.2 配合物2的晶體結(jié)構(gòu)

        配合物2的屬于單斜晶系,空間群為P21/c.如圖3(a)所示,一個不對稱單元中包含一個脫質(zhì)子的NNO-配體、一個2,2′-聯(lián)吡啶、一個硝酸根和一個Cd(Ⅱ)原子.中心Cd(Ⅱ)為7配位的五角雙錐構(gòu)型.赤道面上的O4、O5來自于硝酸根,N2來自于2,2′-聯(lián)吡啶,O1A、O1B來自于NNO-上的氮氧化基團.軸向的N3來自于2,2′-聯(lián)吡啶、O2來自于脫氫后的配體羧酸根.Cd-N鍵長為2.350(3)和2.328(3)?、赤道面上的Cd-O的鍵長2.356(2)- 2.578(3)?、軸向Cd-O2的鍵長為2.182(3)?.均在合理范圍內(nèi)[25].

        (a)配合物2中的金屬離子配位環(huán)境圖

        (b)金屬離子與有機配體形成的結(jié)構(gòu)單元(藍色:配體NNO-;綠色:2,2′-聯(lián)吡啶;紫色:硝酸根)

        (c)結(jié)構(gòu)單元在空間中堆積形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖3 配合物2的配位環(huán)境圖及相關結(jié)構(gòu)圖(為清晰可見,刪掉氫原子)

        結(jié)構(gòu)中NNO-配體配位方式:每個NNO-連接有三個Cd(Ⅱ),形成一維之字形鏈,進而通過NNO-配體連接為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);相鄰的兩個Cd(Ⅱ)經(jīng)NNO-上的氮氧化基團橋連,形成圖3(b)所示的輪槳式單元.輪槳式單元在空間中堆積成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖3(c)),層間距11.148?.拓撲分析表明配合物2為正則(4,4)網(wǎng),即Kagomé網(wǎng)(圖4),并經(jīng)C-H…O(3.301/3.383?)弱作用連接為三維超分子結(jié)構(gòu).

        圖4 配合物2的拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

        結(jié)構(gòu)分析表明,兩例配合物中有3種不同配位方式的NNO-配體.圖2(a)中配體NNO-中羧酸基團螯合了一個Cd,測量發(fā)現(xiàn)以Cd-O6-C12-O5為頂點的四邊形有一定扭轉(zhuǎn),同時氮氧化基團連接了一個Cd(Cd-O-N=114.3 °);圖2(b)中配體NNO-中羧酸基團螯合了一個Cd1A的同時橋連了一個Cd1B,測量發(fā)現(xiàn)Cd1A-O2-C6-O3-Cd1B五原子共面,氮氧化基團連接一個Cd(Cd-O-N=111.5 °);圖2(c)中配體NNO-中羧酸基團連接了一個Cd,測量發(fā)現(xiàn)Cd1-O2-C6-O3四原子共面,氮氧化基團同時連接兩個Cd(Cd1A-O-N=118.8 °、Cd1B-O-N=126.2 °),測量發(fā)現(xiàn)Cd1A -O1-N1-Cd1B四原子共面.

        2.3 配合物1-2的X-射線粉末衍射分析(PXRD)

        為了研究配合物1-2的相純度,在2θ為5 °~50 °范圍內(nèi)對配合物進行粉末X-射線衍射表征.如圖5所示,配合物的測試結(jié)果與單晶結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果基本吻合,證明合成的配合物均為純相,能滿足后續(xù)實驗需要.

        (a)配合物1的PXRD圖

        (b)配合物2的PXRD圖圖5 配合物1和2的PXRD圖

        2.4 配合物的熱穩(wěn)定性分析

        為了探討所制備配合物的熱穩(wěn)定性,本文在10 ℃/min的升溫速率下,對配合物1-2做了熱重分析(TG).TG曲線如圖6所示.由圖6可知,兩例配合物均能穩(wěn)定在310 ℃附近,隨著溫度的繼續(xù)上升,配體NNO-逐漸分解,骨架坍塌.

        圖6 配合物1和配合物2的TGA曲線

        2.5 熒光性質(zhì)

        本文中構(gòu)筑的兩例配合物1-2的中心原子為Cd(Ⅱ),為d10電子構(gòu)型,有著豐富的結(jié)構(gòu)、發(fā)光性能良好、量子產(chǎn)率高,當d10金屬與共軛性的有機配體配形成配合物時,在金屬和配體之間有著不同類型的躍遷方式,配合物就會有不同的發(fā)光特性[17,26].對此研究了配體和配合物的固體熒光發(fā)光行為.

        如圖7所示,在激發(fā)波長為250 nm[27]時,配體HNNO、2-bpy的發(fā)射峰較弱,配合物1-2在390 nm處出現(xiàn)最大發(fā)射峰,與配體的發(fā)射峰均不匹配,歸因于Cd(Ⅱ)和配體的相互作用.配合物1的發(fā)射峰強度比配合物2要強很多也歸因于金屬與配體的相互作用.熒光分析表明,這兩例配合物的最大熒光發(fā)射均在390 nm處,可以作為潛在的熒光材料.

        圖7 配合物1-2的熒光發(fā)射曲線

        3 結(jié)論

        本文以氮氧化煙酸(HNNO)有機配體與四水硝酸鎘在不同的反應條件下,合成了兩例配合物.結(jié)構(gòu)分析表明,[Cd(NNO)2]n的環(huán)狀四鏈單元在a方向堆積為鏈狀框架結(jié)構(gòu),并經(jīng)過C-H…O的弱作用連接為平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);配合物2[Cd(NNO)(2-bpy)2NO3]n中輪槳式單元在空間中堆積成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并經(jīng)C-H…O弱作用連接為三維超分子結(jié)構(gòu).熒光分析表明,這兩例配合物的最大熒光發(fā)射均在390 nm處,可以作為潛在的熒光材料.

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