基于手性四氮唑金属有机框架化合物的制备及其性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luoxiaozhang
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手性是自然界基本属性,也是生命系统最重要的属性之一,生命过程中发生的各种生物-化学反应过程均或多或少涉及到手性的识别和变化,获得单一手性的对映体化合物对环境和人类的健康具有极其重要的意义。基于此,科学家们开发了一种新型的晶态无机多孔手性材料:手性金属有机框架化合物(Chiral Metal-organic frameworks,CMOFs),并将其用于手性分离和不对称催化领域。至今,CMOFs已在构筑方法学和性能研究(i.e.手性分离和不对称催化领域)方面取得了一定的进展。在CMOFs的构筑方法中,最为有效的是利用光学纯手性有机配体与金属离子的组装。其中,光学纯手性有机配体的选择极为重要。合成过程中所选择的手性配体不仅需要能与金属离子组装形成孔洞结构,还要求具有手性活性位点从而可以实现手性分离和不对称催化性能。因此,本文设计合成了两例光学纯手性四氮唑配体:(S)-5-(2-氨基)乙基四唑((S)-1-(5-tetrazolyl)-ethylamine,5-eatz)和(S)-5-(3-氨基)-(2-甲基)-丙基四唑((1S)-1-(5-tetrazolyl)-isobutylamine,5-iatz),并利用这两种配体与金属离子(或金属簇)的组装,得到了11例化合物,探讨了这11例化合物的性质和潜在应用。本文主要分为以下四个部分:  1)5-eatz与CuⅠ和AgⅠ组装得到四例手性配位聚合物{CuI5(5-eatz)2(I-)4}n(1),{CuⅠ6I4(5-eatz)4}n(2),{Ag2(5-eatz)Cl}n(3)和{Ag6(5-eatz)6H2O}n(4),其中化合物1和2是通过水热条件合成,3和4是通过溶液挥发法合成。化合物1是μ4桥连的CuⅠ(5-eatz)2构筑单元和CuxIx一维链连接得到的三维网络结构。化合物2为线性连接的CuⅠ(5-eatz)2构筑单元与平面四连接的Cu4I4簇组装得到的二维层结构。化合物3为一维AgClx链通过与μ3桥连的5-eatz配体组装得到的三维网络结构。化合物4为三核银单元与μ2和μ3桥连的5-eatz配体组装形成的三维网络结构。经过对比化合物1,2,3和4的结构,发现不仅金属离子的种类影响化合物的结构,而且阴离子的的类型也可影响配位聚合物的结构。例如,化合物1和2中5-eatz与CuⅠ组装得到CuⅠ(5-eatz)2构筑单元,而3和4中5-atz与AgⅠ组装,5-eatz则以μ2和μ3方式桥连。化合物1和2中无机部分分别为CuxIx一维链和Cu4I4簇,化合物3和4中的无机部分为AgxClx一维链和三核银。  2)手性5-eatz配体与碘化亚铜组装成一例具有三维网络结构的配位聚合物2[N(CH3)4]+·[CuⅠ14I12(5-eatz)4]2-(5)。化合物5中存在三种次级构筑单元,即类卟啉结构CuⅠ(5-eatz)2次级单元,四面体Cu4I4簇,和八元环Cu4I4簇。两种Cu4I4簇相互组装,形成具有二重穿插结构的三维铜碘框架,其中三维铜碘框架具有四连接dia拓扑。该二重穿插结构的三维铜碘框架作为无机部分被类卟啉结构CuⅠ(5-eatz)2次级单元连接形成一个三维整体,最终的三维框架化合物同样为四连接框架化合物。由于该化合物的禁带宽度为1.49eV,光降解亚甲基蓝实验测定其光催化性能,显示该化合物能在二十五分钟之内将亚甲基蓝完全降解,且多次循环后依然能保持较好的光降解活性。这说明了该化合物可作为潜在的光降解材料。同时,该化合物通过热解后能得到纯相的γ-CuI,且γ-CuI具有均匀厚度的纳米片形貌。  3)手性配体5-eatz(或5-iatz)与CuⅠ,Ⅱ水热条件下自组装得到了五例四连接的化合物CuⅠ2CuⅡ(5-eatz)2(CN-)(I-)(6),CuⅠ2CuⅡ(5-eatz)2(CN-)(Cl-)(7),CuⅠCuⅡ(5-iatz)2(I-)(8),[CuⅠ2CuⅡ(5-eatz)2(CN-)2(H2O)2]·2H2O(9)和[CuⅠCuⅡ(5-eatz)2(CN-)2(H2O)]·H2O(10)。其中化合物6和7为同构化合物,由5-eatz,CuⅠ(CuCl)和CN-构筑而成,通过四面体双核铜单元和线性CuⅠ(5-eatz)2组装,得到具有四连接类分子筛dia拓扑网络结构。化合物8中,5-iatz与Cu组装形成四面体Cu2(5-iatz)2构筑单元,该四面体单元进一步相互连接成具有四连接类分子筛dia拓扑的三维网络结构。化合物9为5-eatz,CuⅠ,Ⅱ和CN-构筑而成,在该结构中,5-eatz与Cu组装形成类似化合物8中构筑单元,即四面体Cu2(5-eatz)2构筑单元。该四面体Cu2(5-eatz)2构筑单元通过与四面图Cu1,和CN-线性配体组装,得到一个具有四连接的qtz拓扑网络结构的三维框架。化合物10同样为5-eatz,CuⅠ,Ⅱ和CN-构筑而成,该结构中具有平面四连接的CuⅠ(5-eatz)2构筑单元,通过CuⅠ(5-eatz)2与四面体单核铜的组装得到了具有mog拓扑的三维网络结构。由于这五例化合物都具有手性空间群,对其二阶非线性光学性能测试结果发现仅化合物10具有二阶非线性性能,其强度约为同条件下KDP的五倍。  4)在CN-为辅助配体的情况下,利用5-eatz配体与Cu2+组装,水热法合成了一例混价铜的CMOFs,{[CuⅠCuⅡ(5-eatz)2(CN-)(H2O)]+[NO3-]}·[DMF](11)。化合物11为二维层状结构,通过强烈的CuⅠ...CuⅠ键形成了具有一维孔道的三维框架结构。通过XRD和TGA表征发现,化合物11具有较好的化学和热稳定性。通过CO2气体吸附证明,该化合物具有一定的微孔性。该化合物拆分2-丁醇,2-甲基-2,4-戊二醇,1-苯乙醇和1-苯丙醇消旋体的实验表明该化合物对1-苯乙醇和1-苯丙醇消旋体具有较好的拆分效果,对2-丁醇,2-甲基-2,4-戊二醇没有拆分效果。猜想该化合物对1-苯乙醇和1-苯丙醇的拆分是基于晶体表面与苯醇类分子的相互作用,如通过相互π…π作用,氢键和手性碳的立体化学作用等协同作用,从而实现手性拆分。这一结果表明手性MOFs的分离并非都发生在其孔道内,且手性MOFs和消旋体的作用强弱决定着手性分离效果的好坏。
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