基本信息
- 项目名称：
- 含氮、氧杂原子功能配合物的设计合成及性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 利用常规溶液或溶剂（水）热法，在配位和超分子作用协同指导下，氮、氧杂原子有机配体与Zn2+、Cd2+、稀土等盐反应得到一系列具有各种拓扑构型、不同维数的新型的金属配合物。在谱学表征基础上，研究相应配合物的荧光、气体吸附以及生物活性，总结构效关系。结果表明一些配合物可作为光学活性材料，抑菌效果明显的配合物在生物医药方面有好的应用前景，而三维框架配合物在气体的储存与分离上有较好的应用前景。
- 详细介绍：
- 利用常规溶液或溶剂（水）热法，在配位和超分子作用协同指导下，氮、氧杂原子有机配体与Zn2+、Cd2+、稀土等盐反应得到一系列具有各种拓扑构型、不同维数的新型的金属配合物。在谱学表征基础上，研究相应配合物的荧光、气体吸附以及生物活性，总结构效关系。结果表明一些配合物可作为光学活性材料加以开发利用，抑菌效果明显的配合物在生物医药方面有好的应用前景，而三维框架配合物在气体的储存与分离上有较好的应用前景。 1、配体的挑选和设计、合成与表征 本研究报告中所选择的有机配体分为两部分：（1）直接使用的：如四氮唑、咪唑二羧酸、苯并咪唑二羧酸、吡啶二羧酸以及草酸等配体，如图1 图 1 被挑选的配体（见项目图片） （2）通过合成的：如乙二胺缩双（乙酰丙酮）(H2L1)，丙二胺缩双（水杨醛）(H2L2) 和2-((2-(二甲氨基-)乙基亚氨基)次甲基)-3-甲氧基苯酚(HL3)，如图1所示，并进行元素分析、红外光谱、1H NMR和MS的表征。 图 2 合成的配体（见项目图片） 2、探讨辅助配体对含镉配合物的拓扑构型与荧光、清除自由基性能的影响：Cryt. Growth Des. 2010, 10(11), 4987-4997. (影响因子=4.162) 参见附件一 利用配位能力、空间几何构型不同的辅助配体（桥联配体）如4,4’-bipy-, N3-, SCN-等以及不同阴离子来研究对乙酰丙酮基对称席夫碱配体H2L1和不同的镉盐组装得到不同维数的含镉有机配合物如图3，并总结了辅助配体、阴离子效应的影响规律以及与、清除自由基性能之间的构效关系。 3、探讨阴离子对锌配合物的拓扑构型与荧光性能、自由基清除活性的影响:Cryt. Growth Des.2010, 10 (9), 4014-4022. 通过改变不同的阴离子(Cl-, Ac-, NO2-, SCN-, CHOO-, etc.)，对称席夫碱配体H2L2和不同的锌盐反应得到六个三核的锌配合物，并研究他们的荧光性能与清除自由基活性，总结了规律(图4)。论文影响因子=4.162。参见附件八 图 3 阴离子效应对镉配合物结构的影响 （见项目图片） 图 4 pH值对镉配合物结构的影响（见项目图片） 4、取代基对配合物的构筑与荧光性能的影响：CrystEngComm,2010,12(12),4012-4016（影响因子 = 4.183）. 对于三齿和四齿不对称席夫碱配体HL3由于酚羟基邻位分别由氢原子和甲氧基占据，导致配体的电子结构和配位点明显不同，从而影响这两个类似配体与金属的配位行为。如图5所示，它们与CdCl2反应分别得到两个双核配合物，通过温度驱动实现了单晶到单晶的结构转化。（参见附件四） 5、温度驱动的超分子异构体的转化：CrystEngComm, 2011,13(1),67-71.（影响因子 = 4.183）（图6） 含三齿不对称席夫碱配体HL3的三个构象不同的单核Zn配合物不仅在不同的温度下结晶得到，而且还可以通过单晶到单晶的转化策略来实现不同构象异构体间的转化，为这类席夫碱配合物的合成提供了一种非常好的策略（参见附件五） 图 5 取代基对镉配合物的形成及转化的影响 （见项目图片） 图 6 不同构象异构体间的转化（见项目图片） 6、具有荧光性能与抗菌活性的新型席夫碱杂核Mn-Zn配合物的合成：Inorg. Chem. Commun., 2011, in press, doi:10.1016/j.inoche.2011.04.028. (影响因子=2.029) （参见附件二） 通过温度控制策略，基于对称席夫碱配体HL2的杂核Mn-Zn配合物被合成与表征，同时他们的荧光性能与抗菌活性被研究（图7）。 7、具有荧光性能与抗菌活性的席夫碱杂/同核3d-4d配合物的合成与表征：CrystEngComm., 2011, submitted. (影响因子=2.029), (图8)。 通过不同的合成策略，几种新型的席夫碱配合物被构筑，他们的荧光和清除自由基活性被研究。 图 7 杂核席夫碱Mn-Zn配合物的合成策略图（见项目图片） 图8 杂/同核3d-4d配合物的合成策略（见项目图片） 8、2-D四连接双接点稀土框架配合物的构筑：Inorg. Chem. Commun., 2010, 13, 1580-1584. (影响因子=2.029，参见附件六)（图9）。利用5,6-苯并咪唑二羧酸作为半柔性的有机羧酸配体并辅以草酸作为桥联配体成功地构筑了第一个这样混合配体的四连接双节点(44·62)(44·62)拓扑构型的稀土金属配合物。他们的荧光性质研究发现其中的Tb配合物可用于强的绿光发射器。 图9 2-D四连接(44·62)(44·62)稀土层（见项目图片） 图10 “镧系收缩效应”相关的三维框架（见项目图片） 9、“镧系收缩效应”相关的“构效关系”：Cryst. Growth Des. 2011, 11(6), 2220-2227. (影响因子=4.162，参见附件七) （如图10）。通过水热合成法，首次构筑得到了含有咪唑二羧酸和草酸混合配体的Zn-4f杂核金属有机框架配合物，发现镧系收缩效应在这样的杂核体系中也同样起作用。并研究了他们的荧光性能和吸附性能，观察到这类框架结构不仅对H2有吸附性能，同时对N2和H2又有分离作用。 10、阳离子和取代基相关的可变金属-有机框架的构筑：Cryst. Growth Des. 2011, in press. (影响因子=4.162，参见附件十) (图11)。基于咪唑基类二羧酸和金属Cd2+, Ca2+和Pb2+组装构筑而成的具有可变拓扑构型的三对金属-咪唑基二羧酸网络并研究了他们的热稳定性、吸附与荧光性能。 11、一维规整的四瓣螺旋桨式3d-4d杂核链的构筑：CrystEngComm, 2011, submitted. (影响因子=4.183)。基于2，6-吡啶二羧酸和金属Zn2+、Cd2+盐组装可得到具有对等的左手和右手螺旋桨式链状结构，并研究了他们的荧光特性。 图 11 阳离子与取代基相关的MOFs的构筑（见项目图片） 图 12 阴离子相关的MOFs的构筑 （见项目图片） 12、阴离子相关的可变金属-有机框架的构筑：CrystEngComm, 2011, Submitted. (影响因子=4.183)（图12）。基于四氮唑配体，在溶剂热条件下，通过改变阴离子实现金属-有机框架结构的可控合成并研究了他们的荧光和抑菌活性。 13、具有特殊螺旋结构的金属-有机框架的构筑：Inorg. Chem. Commun., 2011, 14, 68-71. (影响因子=2.029) (论文见附件九)（图13）。在水热条件下4,5-咪唑二羧酸和稀土盐在草酸作为辅助配体的情况下，构筑得到内含一维内消旋螺旋链和二维zigzag层的三维框架结构。 图 13 含一维螺旋链的三维框架结构（见项目图片） 详情见附件二十一 作品详细介绍
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撰写目的和基本思路
- 功能配合物的设计、合成与性能的研究是当前化学界的一个前沿研究领域，含氮、氧有机配体的配位化学的研究是其中的一个重要课题。撰写本文的目的与思路分为两点：一是对称/不对称席夫碱配位化学的研究。在设计、合成与转化的基础上，探索其荧光与生物活性，获得一些创新结果。二是五(六)元氮杂环配位化学的研究。在水/溶剂热条件下，不仅得到一些拓扑构型新颖配合物，而且探索了结构与荧光、吸附、抑菌等性能间的关系。
科学性、先进性及独特之处
- 通常席夫碱配合物是通过溶液反应来合成，然而我们发现在一定条件下的转化可获得构型新颖或不易得到的产物，为进一步研究这类配合物的荧光与生物活性提供了可能。在咪唑/苯并咪唑二羧酸类配合物构筑过程中，我们不仅首次发现混合配体三连接双节点(44·62)2拓扑构型，而且还发现在锌-稀土杂金属体系中，“镧系收缩效应”照样起作用，以铕为分界点的不同拓扑构型不仅影响其荧光性能，而且对气体吸附性能的影响也明显的。
应用价值和现实意义
- 1、审稿人评价“席夫碱配合物的转化合成策略”有趣和原创，可获得构型新颖或不易得到的产物，为进一步研究其荧光与生物活性提供可行试验平台。 2、关于“锌-稀土杂金属体系中的镧系收缩效应”的结论，充实了镧系收缩理论，为进一步研究构效关系提供理论依据。 3、属于当前化学、材料与医药等多领域科研人员共同关注的课题，可能对目前的功能配合物化学有较大的影响，也能够为研究新型材料与医药奠定理论基础。
学术论文摘要
- 本篇作品中所涉及到的论文，主要是研究氮、氧杂原子配合物的设计、合成及有关性能。结果表明：（1）席夫碱配合物不仅可由常规溶液反应组装而成，还可通过“转化”反应获得构型新颖或不易得到的产物，如单晶到单晶的转化、溶解结晶转化等策略。为进一步研究这类席夫碱配合物特别是不对称席夫碱配合物的荧光与生物活性提供实验平台。（2）基于五元/六元氮杂环有机配体，在溶剂热条件下，组装得到一些拓扑构型新颖有趣配合物。进一步研究荧光与抑菌性能，发现锌配合物对几种常见菌的抑制效果明显高于相应有机配体和其镉配合物。（3）基于五元/六元氮杂环二羧酸有机配体，通过水热反应，首次组装得到混合配体三连接双节点(44·62)2拓扑构型、得到具有正则四瓣螺旋桨式一维3d-4d杂金属螺旋链结构。发现由混合酸构筑的三维稀土框架结构中，一维螺旋链与zigzag层共存。更有趣的是，发现锌-稀土杂金属体系中，“镧系收缩效应”同样有效，以铕为分界点的不同拓扑构型影响其荧光与气体吸附性能。（4）研究了组装反应过程中如反应温度、辅助配体、反应物比例、pH值、阴阳离子效应等因素对产物的影响规律，为这类组装反应的可控合成提供了指导信息。
获奖情况
- 本作品前期工作已被整理成13篇SCI论文（附件），其中8篇正式或即将出版，2篇正在修改，另3篇已经投稿，其中影响因子大于4.0有9篇，第一作者的4篇，第二作者的6篇，第三作者的3篇。2011年获得第十一届广东省大学生挑战杯赛特等奖。具体如下： 1.Cryt. Growth Des. 2010, 10, 4014；10, 4987 (影响因子=4.162) (论文见附件一和九)；CrystEngComm, 2010, 12, 4012；2011,13,67 (影响因子=4.183) ( 论文见附件四和五) 2.Inorg. Chem. Commun., 2011, 在出版 (影响因子=2.029) (论文见附件二)
鉴定结果
- 1.13篇SCI论文，其中8篇正式或即将出版、2篇正在修改，3篇投稿（见附件一到二十） 2.第十一届广东省大学生挑战杯特等奖（证书还未发）
参考文献
- 1.W. L. Leong, J. J. Vittal, Chem. Rev., 2011, 111,688-674. 2.J. J. Vittal, Coord. Chem. Rev., 2007, 251, 1781. 3.H.-C. Fang, J.-Q. Zhu, Y.-P. Cai, Cryst. Growth Des., 2010, 10, 3277. 4.G.-B. Li, H.-C. Fang, Y.-P. Cai, Inorg. Chem., 2010, 49, 7241. 5.O. M. Yaghi, M. O'Keeffe, N.W. Ockwig, H. K. Chae, Nature, 2003, 423, 705. 6.S. Kitagawa, R. Kitaura, S. I. Noro, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2334. 7.M. Fujita, M. Tominaga, A. Hori, B. Therrien, Acc. Chem. Res. 2005, 38, 369. 8.M.-S. Liu, Q.-Y. Yu, Y.-P. Cai, C.-Y. Su, Cryst. Growth Des., 2008, 8, 4083. 9.A.Y. Robin, K. M. Fromm, Coord. Chem. Rev. 2006, 250, 2127. 10.Y.-P. Cai, S.-Z. Zhu, P. K. Thallapally, Inorg. Chem., 2009, 48, 6341.
同类课题研究水平概述
- 含氮、氧杂原子配合物的研究很丰富，已有大量文献报道，但由于它与化学、生物医药、材料科学等领域密切相关，所以近年来功能配合物化学的研究仍然是许多科学家追寻的热点和前沿。基于此本作品选取席夫碱配体、咪唑、苯并咪唑类等含氮、氧有机化合物作为配体，来设计、合成一系列功能配合物并进行相关性能的研究。 席夫碱配合物具有以下这些特性：(1)良好的抗菌与抑菌性能；(2) 高量子效率的荧光特性；(3)良好的半导体特性；(4)良好的热稳定性和化学稳定性等，所以关于这类化合物的研究是近半个世纪以来生物无机化学、材料化学等领域的研究热点。目前国内外基于水杨醛/其取代基衍生物类席夫碱有机金属配合物的性能的研究中，所涉及到的金属离子主要有Zn2+、Ca2+、Ln3+, 而涉及到的有机配体大多数是具有对称结构，也就是说对于含水杨醛或其取代基衍生物的不对称席夫碱金属镉的配合物的设计、合成与相关的光学性能、生物活性方面的系统研究不多。和Zn2+离子相比，Cd2+也具有d10构型，具有较好的荧光特性，尽管某些含镉的物质具有毒性，但是大多数镉离子经过有机配体的配位改性后没有毒性或毒性可降低到安全使用的范围。 苯并咪唑或咪唑类金属配合物不仅具有杀菌、抗癌等活性，而且还具有良好的荧光、气体分离与储存等特性，因而近年来一直是配位化学和晶体工程等领域的研究热点。 以5,6-苯并咪唑二羧酸、4,5-咪唑二羧酸为基本构筑单元，利用各种不同的合成策略组装得到的单一稀土或过渡金属配合物的晶体工程和配位化学的研究一直被化学家们高度重视。但是选取草酸为第二配体，同时在所合成的稀土金属(4f金属)配合物体系中引入第二类过渡金属，相对来说比较少见。另一方面，虽然含半刚性苯并咪唑基的配体的过渡金属配合物到目前为止有多例报道了，但是多半是合成方面的研究，有关他们的性能的研究还是少有报道的。 正因为如此，本作品中基于这几类氮、氧有机配体在不同的金属配合物的构筑策略指导下，如常规溶液反应、单晶到单晶的转化、溶解-结晶等，组装得到具有不同拓扑类型的新颖配合物，不仅拓展了这类配合物的合成策略，而且还丰富了该体系的理论化学，更重要的是能在这几类金属配合物化学的探究过程中，发现他们有价值的荧光、气体储存与分离以及生物活性方面的一些重要性能，为他们进一步开发应用提供指导信息。
