基于直链醚席夫碱镉-稀土配合物荧光性质与结构的研究

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基于稀土元素的发光材料在光学传感、信息存储和有机发光二极管(OLED)等方面显示出广泛的应用而引起了人们极大的研究兴趣。然而,由于宇称禁阻,稀土离子表现出相当低的吸收系数,一般是利用“天线效应”即配体经过能量吸收、跃迁和发射等过程将能量传递给稀土离子使得稀土配合物发光,但这种间接激发敏化效率低且能量损失较大。因此,为了弥补这一缺陷而开辟了新的敏化途径即:引入过渡金属离子,通过过渡金属配合物单元作为发色团来敏化稀土离子。但是,目前4d-4f配合物发光材料仍然存在以下问题:(1)定向构筑聚合或多核的4d-4f配合物仍然是一个艰巨的任务;(2)如何调控金属配合物来敏化稀土离子的发光仍然是一个挑战。针对于以上问题,本论文设计合成了一个具有内界(N2O3)和外界(O2O2)双配位中心的直链醚席夫碱配体3-乙氧基水杨醛缩二甘醇二胺(H2L),选择具有较大半径的镉离子和具有桥连作用的辅助配体,来构筑聚合或多核的4d-4f配合物。并且深入研究了辅助配体对4d-4f配合物结构和发光性能的调控作用。本论文共分为三章:第一章,主要介绍近年来d-4f席夫碱配合物的合成方法、发光性质及其在荧光传感等方面的应用,并叙述了本论文的选题依据和研究思路。第二章,以3-乙氧基水杨醛缩二甘醇二胺为主配体,异烟酸和戊二酸为辅助配体,通过在甲醇/二氯甲烷的混合溶液中引入镉盐和稀土盐,利用界面扩散法制备了三种类型的配合物,其分别为2个单稀土配位聚合物、4个镉-稀土配位聚合物和3个镉-稀土四核配合物,分子式如下:(ⅰ)单稀土配位聚合物:[Ln(H2L)(NO3)3]n·(CH2Cl2)n{Ln=Sm(1)、Eu(2)};(ⅱ)镉-稀土配位聚合物:[CdLnL(NO3)(CH3COO)(C6H4NO2)]n·(CH2Cl2)n{Ln=Eu(3)、Gd(4)、Tb(5)、Sm(6)};(ⅲ)镉-稀土四核配合物:[Cd2Ln2L2(μ2-NO3)2(OAc)(C5H8O4)(CH3OH)2]·(NO3)(CH2C l2)n{Ln=Sm(7)、Tb(8)、Eu(9)}。利用红外、紫外光谱和X-射线单晶衍射对配合物进行了表征。1-2为单稀土配位聚合物,其中配体发生扭曲形成几字形的一维链状结构,与其配位的每个稀土离子均为十配位扭曲的双帽四棱柱构型。在单稀土配合物的基础上,引入镉离子和辅助配体异烟酸得到配合物3-6,[CdLnL]作为二级单元通过异烟酸桥联形成之字形的一维链状聚合物。完全去质子化的配体L2-以μ2-(κ~1O,κ~2O,κ~1N,κ~1O,κ~1N,κ~2O,κ~1O)配位方式来螯合镉离子和稀土离子,而异烟酸以μ3-(κ~1O,κ~1O,κ~1O)的配位模式桥连金属离子,其中镉离子为七配位扭曲的五角双锥构型,稀土离子为九配位扭曲的单帽四棱柱构型。用辅助配体戊二酸取代异烟酸得到了四核配合物7-9,作为桥连的戊二酸以μ4-(κ~1O,κ~1O,κ~1O,κ~1O)的配位方式与镉离子和稀土离子连接形成[Cd2Ln2L2]配位单元,其中配体的配位方式与3-6相同,且金属离子的构型同样为七配位扭曲的五角双锥构型和九配位扭曲的单帽四棱柱构型。以上分析可知:通过主配体构筑了两个单稀土配合物,同时引入辅助配体利用与主配体的协同作用实现了对4d-4f聚合和四核配合物的构筑。对比发现配合物在结构上的差异主要与辅助配体的类型有关:不对称的异烟酸易形成聚合物,而对称的戊二酸易形成多核配合物。因此,在构筑4d-4f配合物时可以选择不同类型的辅助配体来调控其结构。第三章,固态荧光的结果表明1、2只表现出以配体为中心位于400-520 nm范围内的宽峰,并且发生了43-47 nm的蓝移。在镉-稀土配合物3-6中,3和4不能够有效的敏化稀土离子,而5和6既表现出配体的发射峰,也出现了稀土离子的特征发射峰。其中5表现出铽离子的绿色特征发射(~5D4→~7F6、~5D4→~7F5、~5D4→~7F4和~5D4→~7F2);6表现出钐离子的红色特征发射(~4G5/2→~6H5/2、~4G5/2→~6H7/2和~4G5/2→~6H9/2)。通过改变辅助配体的类型得到的四核配合物7-9中,7和8也同时出现了配体及钐和铽离子的特征发射峰,但是其敏化效率较低,而9同样不能够敏化稀土离子。对比单稀土配合物和镉-稀土配合物的固体荧光发现:配体不能直接敏化稀土离子,引入镉离子形成镉配合物生色团后可以实现对钐和铽离子的敏化,并且引入具有芳香性的辅助配体(异烟酸)会提高其敏化效率。总之,选择不同类型的辅助配体最终实现了对镉-稀土配合物结构与荧光性质的调控。此外,研究了1-9在DMF溶液中的发光传感性能,发现配合物3-6对苦味酸和2,4-二硝基苯酚具有发光淬灭作用。同时还研究了配体及配合物的抗自由基活性,由于7-9的溶解性较差,我们选择配体和配合物1-6进行抗自由基活性实验,发现其均表现出良好的清除羟基和超氧自由基活性,且活性大小为镉-稀土配合物>单稀土配合物>配体。综上所述,以3-乙氧基水杨醛缩二甘醇二胺为主配体,异烟酸和戊二酸为辅助配体,与不同的金属离子自组装制备了三种类型的配合物。分别研究了配合物的发光性能及其抗自由基活性,探讨了引入不同辅助配体对配合物结构和荧光性能的调控作用。该成果在开发结构和性能更加优异的稀土配合物和镉-稀土配合物方面具有理论和实践意义。
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