配位聚合物的应用与进展

配位聚合物的应用与进展王雄化学化工与材料学院应用化学1班20133443摘要：配位聚合物是由金属和有机配体自组装而形成的,具有独特的空间几何构型,在非线性光学材料、气体吸附、手性拆分和催化、分子磁性材料、超导材料,微孔材料等诸多方面都有广阔的应用前景。本文介绍了配位聚合物的分类，列举了金属-有机骨架(MOFs)等功能型配位聚合物的研究进展,并对配位聚合物的发展前景作了展望。关键词：配位聚合物；有机配体；合成方法；应用；催化引言：配位聚合物(coordinationpolymers)或金属-有机框架(metal-organicframeworks,简称MOFs)是指利用金属离子与有机桥联配体通过配位键合作用而形成的一类具有一维，二维或三维无限网络结构的配位化合物[1]。近年来，配位聚合物作为一种新型的功能化分子材料以其良好的结构可裁性和易功能化的特性引起了研究者浓厚的兴趣。配合物有无机的金属离子和有机配体，因此它兼有无机和有机化合物的特性，而且还有可能出现无机化合物和有机化合物均没有的新性质。配位聚合物分子材料的设计合成、结构及性能研究是近年来十分活跃的研究领域之一，它跨越了无机化学、配位化学、有机化学、物理化学、超分子化学、材料化学、生物化学、晶体工程学和拓扑学等多个学科领域，它的研究对于发展合成化学、结构化学和材料化学的基本概念及基础理论具有重要的学术意义，同时对开发新型高性能的功能分子材料具有重要的应用价值[2-7]。并对分子器件和分子机器的发展起着至关重要的作用。配位聚合物在新的分子材料中将发挥重要的作用。配位化学理论在材料的分子设计中也将起着重要的指导作用。材料按其性能特征和用途大致可划分为结构材料和功能材料两大类。功能材料种类繁多，功能各异，其共同的特点和发展趋势是：(1)性能优异；(2)分子化；(3)巨大的应用前景。金属有机光电磁材料综合了这几方面特点，将发展成为新一代材料，其结构和性能决定了它的应用越来越广泛。以下是金属有机化合物分别在光电磁材料中的应用。1.配位聚合物的分类1998年，Robson教授根据聚合物框架结构的不同将其分为三大类:一维链状聚合物,二维网状聚合物和三维网状聚合物。这种分类使人很容易了解配位聚合物的空间结构,但从配位聚合物的合成角度来看,未免有些不足。在配位聚合物的合成中,有机配体起着关键作用,配体种类的不仅直接影响到聚合物的合成,而且还涉及到聚合物的空间结构。因此,将含不同有机配体的聚合物加以分类研究,对配位聚合物的合成及其空间结构的研究将有一定的指导意义。根据有机配体种类的不同可将配位聚合物分为：含氮杂环类配体的配位聚合物；含CN配体的配位聚合物；含氧有机配体的配位聚合物；两种配体的配位聚合物；含两种或两种以上金属的配位聚合物。按金属中心的角度可分为：过渡金属，主族金属，稀土金属，多金属中心四类。2．配位聚合物的合成方法2.1常规合成法缓慢扩散法、水热/溶剂热法、溶液直接合成法等常规合成法对于获取高质量的单晶有独特的优势，因而使用广泛。扩散法包括：气相扩散法、液层扩散法和凝胶扩散法等。气相扩散法是将金属盐和有机配体溶解于适合的溶剂后，用易挥发性的溶剂扩散进溶液中而析出晶体；液层扩散法则是将金属盐和有机配体分别溶解于不同的溶剂中，然后把其中一种溶液置于另一种溶液上，在界面处的扩散层中发生反应；凝胶扩散法也与其类似，把两者分开，让它们缓慢地互相扩散，以减缓成核速度，从而产生高质量的单晶。扩散法反应时间较长，从数天到数月不等，条件温和，有利于生成热力学稳定的产物。水热溶剂热法是把反应物与溶剂混合于封闭体系，常用不锈钢反应釜，加热到一定的温度，在溶剂产生的自身压力下反应。这种方法比扩散法耗时短，对反应物的溶解性要求也低一些，一般几个小时至一周内可完成反应，且可控制的因素很多，包括溶剂的选择、温度、反应时间等，但反应对条件较为敏感，常常重复性较差。由于常规合成法反应时间较长，反应物浓度低，在较大规模的合成中受到限制，目前仅限于实验室范围内的制备，因而需要发展更为高效、环境友好的方法。2.2固相合成法固相反应常指固体与固体之间的反应，广义上来说则包括了所有固体反应物参与的反应。固相反应不仅能产生分子结构简单的配位化合物，也能形成三维无限网络状化合物。目前固相反应在配位聚合物的合成中尚处于初始阶段，但固相反应的简便、高效、绿色等优势已经充分展现出来。固相反应通常在研钵中或球磨机内进行，反应控制的条件包括研磨时间、研磨强度、反应温度、助剂的添加等。低热固相反应与机械力化学反应的区别:在无机械研磨的作用下，反应仍能进行，直到反应结束，而机械力化学反应必须在外力的持续作用下，通过机械能使体系活化而使反应发生，机械力是不可缺少的；起始研磨的作用在于减小反应物的粒径，使反应物充分接触并混合均匀，并且增大缺陷浓度以活化底物；反应过程中的研磨作用令反应物进一步地接触，减少了反应物的包埋，促进了扩散，从而增加了反应速率。配位聚合物中的金属离子与桥联配体之间以配位键结合，配位键的键能相对较低，容易断裂，因而其合成必须在中低温下进行。反应物的有机配体通常是分子晶体，配体分子以较弱的分子间作用力结合，晶格易变形，分子可长程移动，因此易于发生扩散和接受其他反应物的扩散。而所用的金属源又常为含结晶水的金属盐，即以水分子为配体的配合物，这些成为应用低热固相反应制备配位聚合物的前提。2.3超声波法超声波在反应中的作用，被认为是超声空化现象引起的。在超声波的作用下，液态介质形成微小气泡，经历生长振荡等过程后迅速崩溃，产生极短暂的局部高温高压和极高的温度梯度，以及高速的微射流，由此带来高速的分子运动活化的反应位点并能够促进分子的自组装。近几年超声波被引入到配位聚合物研究领域，发现其具有高效的优点。有研究表明，超声波对配位聚合物合成的加速作用是由于其增大了Arrhenius方程的指前因子，并没有降低反应的活化能，超声波产生局部过热点大大促进产物晶体的成核与生长过程。但超声波作用下的溶液环境不利于大尺寸晶体的生长，所以超声波法不易产生适合单晶射线衍射的高质量单晶，然而解析晶体结构是制备新型配位聚合物的重要环节，因此超声波法在合成新颖结构的配位聚合物方面受到一定的限制但是对制备纳米配位聚合物调控产物形貌却具有显著的效果。2.4微波法微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，波长1m-1mm之间，位于微波场中的极性分子在变化的电磁场作用下获得动能，从而产生热量。微波能够快速均匀地加热介质，产生各向同性的成核环境，可使晶体迅速地成核及生长，并带来均一的粒径分布。常用的微波合成方法是将反应物溶液密封于反应溶器内，用一定功率的微波加热，反应时间可短至几十秒。微波法具有反应时间短、产率高、选择性高、能量利用率极高、比孔容大等优点，应用微波法合成配位聚合物时可通过调节反应条件来控制产物的形成和形貌、吸附性能等性质。3．配位聚合物功能性材料简介3.1分子基磁性材料根据磁性材料的磁特性和应用特点可分为永磁材料、软磁材料、磁信息材料和特种磁性材料等。分子基磁性材料是由分子磁体构成的磁性材料。有机-无机配位聚合物型分子基磁性材料有三个优点：(1)顺磁金属离子本身是一个天然的自旋载体；(2)以金属离子作为联结点易构筑成一维、二维和三维的宏观结构；(3)变化金属离子本身及其配位环境易控制它们之间的磁相互作用。分子磁体是指在临界温度（Tc)下能自发磁化的分子聚集体，其在结构上以配位聚合物为主要结构特点，在微观上以磁耦合为主要性质。分子磁体的磁性源于分子内或分子间未成对电子间的相互藕合，其在信息储存与转换、量子计算机的研发与利用等方面有巨大的应用价值。分子磁性材料比传统的无机磁性材料密度低、透明性好、合成方法温和。过渡金属配位聚合物分子磁体是目前研究最多、最深入的分子磁体，研究发现，一维链状结构的配位聚合物Tc温度较低。要提高Tc温度，就必须合成在三维方向均有强相互作用的高维分子磁体。3.2新型多孔材料多孔配位聚合物有高度规则的晶态结构，孔道尺寸可调控，表面性质可控，整体结构可设计，合成条件简单，在分离、气体存储及异相催化等领域有着广阔的应用前景。2004年，日本的Kitagawa教授对多孔配位聚合物的研究状况进行了总结概述，将其按照时间的发展顺序分成三代：第一代，移走微孔框架中的客体分子后，框架将不稳定出现塌陷且不可逆转；第二代，即使在失去客体分子的情况下仍具有稳定坚固的框架，能够进行气体的可逆吸附与脱附；第三代，具有柔性和动力学可控的的框架，能够随着外界条件的变化，可逆地改变其通道或孔径，在分子开关和选择性气体吸附等领域具有潜在应用价值。目前，多孔配位聚合物的研究主要集中在第二代，以芳香羧酸多齿配体桥连的金属有机框架材料(MOFs，Metal-OrganicFrameworks)为主，美国Yaghi课题组合成的MOF系列配位聚合物在整个晶体孔材料发展的过程中占据了极其重要的地位。美国Yaghi课题组报到了25种ZIF系列三维金属配合物孔道结构，其中ZIF-68，ZIF-69，ZIF-70配位聚合物在空气中可稳定存在到390℃，并且客体分子完全去除后，仍能保持晶态完好，可以完全可逆地吸附N2，CO，CO2。Langmuir比表面积在1220-2000m2g-1之间,孔道直径在0.72-1.59nm之间,尤其是ZIF-69有非常强的选择吸附能力和吸附储存能力,1g的ZIF-69能吸附储存82.7mL的CO2。2003年K．Kim课题组发表了一个用锌盐、对苯二甲酸和吡嗪配体合成的三维多孔配位聚合物。2010年Yaghi组合成了三维孔道结构的金属有机配位聚合物IRMOF-77[Zn4O(C28H21I2N3O4Pd)3]，相应的孔径是0.5nmx1nm。这些孔道在去除溶剂分子后,可以可逆地吸附N2,Ar和多种有机溶剂分子.吸附曲线属于I型吸附等温线,吸附过程是可逆的,并且在脱附过程中没有滞后现象，吸附比表面积约为1610m2.g-1。3.3非线性光学材料由于非线性光学性质是非中心对称固体所特有的光学现象，要求组成非线性光学材料的分子本身是非中心对称，或色素分子在材料中是非中心对称排列，合理的设计与合成非中心对称的晶体在寻找非线性光学材料研究中占有重要地位。晶体工程学和配位聚合物的发展，为人们寻找新的非线性光学材料提供了新的途径。近年来，非线性光学材料的研究已经引起化学、物理和材料科学领域中科技工作者的广泛关注和兴趣。由不对称桥联配体形成的奇数重互穿的金刚石烷结构必然是非对称中心的，林文斌研究小组利用这一原理选用吡啶羧酸配体成功合成了一系列具有三维金刚石拓扑网路结构的配位聚合物，这些材料呈现出良好二阶非线性光学性质，有的SGC值可高达400，与工业上使用的二阶非线性光学材料铌酸锂相接近，是一类极有应用前景的二阶非线性光学材料。3.4手性拆分和催化材料手性结构在生物分子中较为常见，在配位聚合物结构中却很少见到。通常手性结构中的两种对映异构体具有不同的生物活性。手性配位聚合物按照配体的手性可分为两种类型：一种是由手性配体构筑的手性配位聚合物；另一种是由非手性配体构筑的手性配位聚合物。具有手性孔道结构或其孔道结构由某些具有手性特征的结构单元构成的多孔材料，都有微孔手性、不对称催化与分离材料的开发和应用前景，目前已经成为催化领域的重要研究课题之一。目前，手性配位聚合物材料研究中最具代表性的化合物是K.Kim等人以光学纯的（D-型或L-型）手性酒石酸衍生物和Zn(N03)2反应，生成的以三核锌簇[Zrl30(RC02)6(H20)3]作为次级结构单元构筑成的具有均一手性(D—型或L—型)的二维网络配位聚合物POST-I。3.5导电材料近年来，由线性碳桥桥联的过渡金属有机化合物因其在一维分子导体、液晶材料和非线性光学材料方面的潜在应用价值而引起关注。用于导电材料的金属有机化合物主要有两类：(1)低维配位聚合物，如基于大环平面如酞菁、卟啉等堆砌成柱的导电材料。(2)电荷转移复合盐，其中包括富勒烯(Fullerene)金属盐。一维无限链状多烯的离域体系可用作具有