一维发光镉配位聚合物的合成、晶体结构及识别性能
唐静a, 林肖漪b, 周文艳c, 黄秋颖a,*
a河南工业职业技术学院应用化学工程系 河南 南阳 473009
b大连理工大学化学工程学院 辽宁 大连 116024
c郑州大学化学与分子工程学院 郑州 450001
通讯联系人:黄秋颖,教授; Tel/Fax:0377-63250235; E-mail:huangqy72@163.com; 研究方向:功能配位化学
摘要

采用芳香取代的咪唑二羧酸配体2-(对氰基)苯基-4,5-咪唑二羧酸( p-CNPhH3IDC) ,在含氮螯合配体 2,2'-联吡啶(2,2'-bipy)的存在下,利用水热反应,制备了一个具有混合配体的一维链状配位聚合物:[Cd( p-CNPhHIDC)(2,2'-bipy)] n(1)。 通过元素分析、傅里叶变换红外光谱仪以及单晶X射线衍射等技术手段研究了配位聚合物1的结构和性能。 结果表明,该配位聚合物稳定性较好,在231.6 ℃前结构稳定。 经乙睛、甲醇、乙醛等溶剂浸泡后,配位聚合物1的荧光强度发生了一定程度的减弱(乙醛和CH2Cl2)或增强(DMF、硝基苯、丙酮),仅有吡啶溶剂使其荧光发射波长发生了60 nm的蓝移,显示其对吡啶有比较好的识别作用。

关键词: Cd-聚合物; 咪唑二羧酸; 晶体结构; 识别性能
中图分类号:O614 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2019)04-0459-06
Synthesis, Crystal Structure and Recognition Properties of One-Dimensional Luminescent Cd Coordination Polymer
TANG Jinga, LIN Xiaoyib, ZHOU Wenyanc, HUANG Qiuyinga
aDepartment of Chemical Engineering,He'nan Polytechnic Institute,Nanyang,He'nan 473009,China
bDepartment of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China
cCollege of Chemistry and Molecular Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou, 450001,China
Corresponding author:HUANG Qiuying, professor; Tel/Fax:0377-63250235; E-mail:huangqy72@163.com; Research interests:coordination chemistry
Abstract

By reaction of an aryl substituted imidazole dicarboxylate ligand 2-(4-cyanophenyl)-1 H-imidazole-4,5-dicarboxylic acid( p-CNPhH3IDC) with cadmium nitrate, in the presence of N-containing chelate ligand, 2,2'-bipyridine(2,2'-bipy), a one-dimensional chain-like coordination polymer, [Cd( p-CNPhHIDC)(2,2'-bipy)] n(1) with mixed ligands was prepared hydrothermally. The structure and properties of the coordination polymer were studied by elemental analysis, Fourier transform infrared spectrometer and single crystal X-ray diffraction. The results show that the coordination polymer has good thermal stability under 231.6 ℃. After being soaked in acetonitrile, methanol, acetaldehyde and other solvents, the fluorescence intensity of coordination polymer 1 was weakened(aldehyde, CH2Cl2) or enhanced(DMF, nitrobenzene and acetone) to a certain extent. A 60 nm blue shift in its fluorescence emission, in pyridine indicated a good identification effect on pyridine by this polymer.

Keyword: Cd-polymer; imidazole dicarboxylate; crystal structure; recognition properties

配位聚合物作为一种新型晶态功能材料,具有合成方便、结构多样、易调控等特点,同时具有单纯无机或有机材料所没有的优良物理化学性能,如良好的热稳定性和发光性能等,被广泛地应用在质子导电、发光材料、催化、医药等研究领域[1,2,3]。 其中,基于发光配位聚合物在分子识别、离子识别、生物传感等领域的结构优势(孔道可调、孔道内部可以进行功能化修饰),研究人员可开发出高选择性、灵敏的基于配位聚合物的化学传感器,已成为分子识别领域研究热点之一[4,5,6,7,8]

有机配体的设计和选择在构筑多功能配位聚合物的过程中起着重要的作用。 例如,有机配体的柔韧性、携带配位原子的多寡、配位原子配位能力的强弱、所携带官能团的种类以及取代基的形态等对后续配合物的结构产生着重要的影响。 一般来说,N、O原子具有较强的配位能力,因此在配体的设计中,含有N、O原子的氮杂环(如咪唑基、吡啶基等)、胺基和羧基等比较多地被引入到多功能的有机配体中。 咪唑二羧酸类配体是典型的含N和O配位原子的多功能配体,通过在2位引入不同的取代基,使其在形成配聚物时具有较强的配位能力和配位模式,进而使构筑的配聚物具有灵活多变的晶体结构;若引入的取代基具有苯基共轭体系,则可借助 π-π相互作用形成更为稳定的发光配位聚合物,从而有利于爆炸分子的识别研究[9,10,11,12,13]

本文在2位引入了具有芳香基团的取代基,设计合成了2-(4-氰基苯基)咪唑-4,5-二羧酸( p-CNPhH3IDC)配体,进而使它与硝酸镉作用,在2,2'-联吡啶(2,2'-bipy)的存在下,利用水热反应,制备了1个一维的链状配位聚合物:[Cd( p-CNPhHIDC)(2,2'-bipy)] n(1)。 研究了配位聚合物分子结构和性能,探讨了它在空气气氛下的热稳定性、固态荧光发光以及识别性能。

1 实验部分
1.1 仪器和试剂

FLASH 1112型元素分析仪(美国Thermo公司);Nicolet NEXUS 470-FTIR型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR,美国NICOLET公司);NETZSCH STA 409PC型同步热重分析仪(TGA,德国耐驰公司);日立F-7000型荧光光谱仪(日本日立公司);Bruker Smart 1000 CCD型X射线单晶衍射仪(德国布鲁克公司);PANalytical X'pert PRO型X射线粉末衍射仪(PXRD,荷兰帕纳科公司)测定样品纯度,测试条件为:Cu, λ=0.154178 nm,工作电压40 kV、电流40 mA、扫描范围5°~60°;FLS920型全功能型荧光光谱仪(英国爱丁堡仪器公司)。

酒石酸和氨水购自国药集团化学试剂有限公司;4-氰基苯甲醛购自济南恒化科技有限公司。 以上试剂均为分析纯。有机配体 p-CNPhH3IDC参考文献[11]方法合成。

1.2 配位聚合物1的制备

称取Cd(NO3)2·4H2O(0.0154 g,0.05 mmol)、 p-CNPhH3IDC(0.0130 g,0.05 mmol)和2,2'-bipy(0.0078 g,0.05 mmol),加入7 mL蒸馏水,搅拌0.5 h后,密封于25 mL的具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,将反应釜放入烘箱,升温至150 ℃,恒温96 h,自然冷却至室温后,取出,得到淡黄色菱形块状晶体,蒸馏水洗涤后,室温下,空气中,自然干燥,得到配位聚合物1,产率:44%(基于Cd)。 配位聚合物1在室温条件下比较稳定,元素分析测定值:C 50.29%,H 2.46,N 13.28%与按C22H12CdN5O4的计算值:C 50.54%;H 2.31%;N 13.40%吻合。 FTIR(KBr), σ/cm-1:3439(m),3078(w),2230(s),1925(w),1685(w),1604(w),1440(w),1380(w),1268(m),1153(w),1059(w),1022(m),849(s),773(s),743(m),704(w),652(m),567(m),523(m),492(m),445(w)。

1.3 性能测试

1.3.1 晶体结构测定

选择尺寸为0.23 mm×0.21 mm×0.24 mm的单晶在292(2) K下,采用单晶衍射仪在单色化的Mo射线( λ=0.071073 nm)下测试,以 ω-2 θ扫描方式收集数据,晶体结构由直接法解出,用傅里叶技术扩展,按各向异性进行精修。 最后采用全矩阵最小二乘法,依据可观察的衍射数据和可变参数进行校正,所有数据均经Lp因子校正。 全部非氢原子坐标用直接法得到,全部非氢原子坐标用差值Fourier函数法和最小二乘法求出,并用理论加氢法得到氢原子位置,所有的计算均使用SHELXS-97程序[14]。 配位聚合物1(CCDC号:1524203)的晶体学参数列于表1中。 配位聚合物1的主要键长和键角列于表2

表1 配位聚合物1的晶体学参数 Table 1 Crystallographic data of coordination polymer 1
表2 配位聚合物1的重要键长(nm)及键角(°) Table 2 The main bond lengths(nm) and angles(°) of coordination polymer 1

1.3.2 小分子识别性能

称取11份等质量的配位聚合物1的晶体样品(每份80 mg),将其分别浸泡在4 mL的甲醇、乙腈、DMF、吡啶、丙酮、乙醚、硝基苯、THF、CH2Cl2、CHCl3、乙醛等小分子有机溶剂中,搅拌18 h,过滤,室温干燥后,测试样品的固态荧光光谱。

2 结果与讨论
2.1 配位聚合物1的晶体结构

配位聚合物1属于单斜晶系, P21 /c空间群。 具体晶体学测试参数见表1。 配位聚合物1的不对称结构单元中包含了一个Cd(Ⅱ)离子,一个单脱质子的 p-CNPhHIDC2-配体和一个2,2'-bipy辅助配体。 六配位的中心金属Cd(Ⅱ)处于一个畸变的八面体环境中(见辅助材料图S1)。 来自2,2'-bipy的两个氮原子(N1、N2)和咪唑环连接的两个羧基氧原子(O1、O4#1)位于八面体的赤道平面,轴向位置被来自两个咪唑环的氮原子(N4#1、N3)占据。 配位聚合物1的中心Cd(Ⅱ)离子周围的夹角最大值是156.72(7)°,最小值是69.91(8)°,显示出其八面体的畸变性。 Cd—N键长在0.2264(2)~0.2434 nm之间变动;Cd—O键长分别为0.2351(2)和0.2353(2) nm,非常接近。 可见,这些键长和之前文献中报道的类似Cd(Ⅱ)配位聚合物的键长相近[9]

在配位聚合物1结构中,每一个咪唑二羧酸配体 p-CNPhHIDC2-均采取 μ2-kO,N:kO',N'的配位模式与中心金属Cd(Ⅱ)原子相连形成了无限长的一维链。含氮辅助配体2,2'-bipy则通过与中心原子螯合的方式悬挂在链的同一侧(图1)。 链内相邻的Cd ••••Cd距离为0.6697(5) nm。 这些一维链通过相互平行交错的苯环之间的 π-π相互作用(图2B)堆积构筑成为一个三维超分子结构(图2A),相邻苯环中心之间的距离分别为0.3838(2)和0.5933(4) nm,表明此作用比较弱。 尽管如此,相邻芳香环之间的弱作用对于三维固态结构的形成提供了额外的稳定力。

图1 配位聚合物1的一维链状图Fig.1 1D chain of coordination polymer 1

图2 配位聚合物1的三维固态堆积图(A)和相邻链之间的 π-π堆积作用(B)Fig.2 3D solid-state packing of coordination polymer 1(A) and π-π interactions between neighbor chains(B)

2.2 红外光谱

如实验部分所列配位聚合物1在400~4000cm-1范围内的红外振动数据:羧基,苯环以及咪唑环的特征红外吸收均可以观察到。 咪唑环 νN—H伸缩振动峰出现在3439 cm-1附近。 配位聚合物1的羧基振动峰(1685和1604 cm-1)与自由配体的羧基振动峰(1665和1550 cm-1)相比,发生了比较大的偏移,表明了羧基参与了配位,但是1380 cm-1附近变化不大,说明羧基未脱质子。 苯环的骨架振动峰出现在1400~1700 cm-1范围内,苯环上C—H的振动峰在849 cm-1附近出现。 特征的氰基伸缩振动峰出现在2230 cm-1附近。 总之,由红外数据得到的分子结构信息与单晶结构分析相一致。

2.3 X射线粉末衍射图

为了保证在后续研究中所得到的配位聚合物样品的纯度,采用PXRD方法对得到的多晶产品进行了纯度分析,结果如图3所示。 由图3可见,多晶产品的实验PXRD图与按照单晶数据得到的模拟图吻合,说明了产品为均一相,纯度满足下一步研究的需要。

图3 配位聚合物1的PXRD图Fig.3 PXRD patterns of coordination polymer 1

2.4 配聚物1的热稳定性

配位聚合物的空气气氛下的热稳定性非常重要,它对于后续的应用开发起到至关重要的作用。 因此,研究了配位聚合物1在空气气氛下的热分解规律(见辅助材料图S2),它在231.6 ℃之前基本保持稳定,在231.6~582.5 ℃之间,存在一个持续的失重过程,失重量为76.32%(理论值是75.44%),对应的是咪唑二羧酸配体和2,2'-联吡啶配体的分解过程。 从582.5 ℃往后出现了一个恒重的平台。 剩余褐色残渣推测是CdO(测试值是23.68%,理论值是24.56%)。 这也与晶体结构的分析相一致。 实验表明,配位聚合物1在231.6 ℃之前具有很好的稳定性。

2.5 配聚物1的荧光及其对小分子识别

自由有机配体 p-CNPhH3IDC在489 nm处出现最大发射峰(见辅助材料图S3),此时的激发波长 λex=411 nm,这是由于配体 π* n-π*的电子迁移引起的[7]。 配位聚合物1在458 nm出产生最大荧光发射峰(图S3),此时激发波长 λex为376 nm,相对于自由配体最大发射峰蓝移了31 nm,由于中心离子Cd2+离子为 d10的满壳层电子构型,既不容易失去电子也不容易得到电子,因此配位聚合物的荧光发射归因于配体之间电荷跃迁[7],蓝移则可能是由中心金属与配体发生配位作用,致使配体的共轭、极化等发生改变所导致的。 采用FLS920全功能型荧光光谱仪上相对应的计算机软件用指数模型拟合出配位聚合物1的衰减曲线,并计算其荧光寿命( τ)为450 μs( χ2=1.140),量子效率( η)为12%。

配位聚合物1的小分子识别性能如图4所示。 用乙醛和CH2Cl2浸泡后的配位聚合物1的荧光强度减弱,这可能是由于能量竞争所导致,这两个化合物吸收了激发的能量导致配位聚合物的荧光发射减弱。 CHCl3对其影响不大,其余有机溶剂则使配位聚合物1的荧光强度有不同程度的增强,其中DMF、硝基苯和丙酮使其荧光强度显著增强。 值得注意的是,吡啶在使其荧光增强的同时也诱导配位聚合物1的荧光发射波长蓝移了60 nm,显示配位聚合物1对其具有较好的识别作用。 从图5可以看出,浸泡过不同溶剂后的样品的PXRD图谱与单晶数据模拟的PXRD图谱基本一致,可知经过处理后的配位聚合物1的晶体结构未发生明显变化。 红外测试表明,所选用的溶剂处理后样品的红外振动峰与原始样品基本吻合,只有经吡啶处理后的样品在3212 cm-1处产生了了一个小振动峰(见辅助材料图S4),这可能是吡啶通过分子间氢键与配体相互作用,产生的吡啶N—H伸缩振动峰[8]。 推测配位聚合物1对吡啶的识别可能是吡啶与配聚物之间通过氢键相互作用从而影响了配位聚合物的发光性能。

图4 配位聚合物1经溶剂浸泡后的荧光光谱Fig.4 Fluorescence spectra of coordination polymer 1 after soaking with pyridine(a), DMF(b), nitrobenzene(c), acetone(d), THF(e), acetonitrile(f), ether(g), metnanol(h), CH3Cl3(i), acetaldehyde(j), and CH2Cl2(k)

图5 配位聚合物1的经溶剂浸泡过后PXRD图Fig.5 PXRD patterns of coordination polymer 1 after soaking with acetaldehyde(a), CH2Cl2(b), CH3Cl3(c), THF(d), nitrobenzene(e), ether(f), acetone(g), DMF(h), acetonitrile(i), pyridine(j), and metnanol(k)

3 结 论

在水热条件下,以2-(4-氰基苯基)咪唑-4,5-二羧酸和含氮螯合配体2,2'-联吡啶为协同配体,使其与硝酸镉进行自组装,制备了1个一维的链状配位聚合物1:[Cd( p-CNPhHIDC)(2,2'-bipy)] n。 在配位聚合物1中,咪唑二羧酸配体显示出独特的桥连配位特点。 配位聚合物1热稳定性较好,在231.6 ℃前呈现出比较好的稳定性;在458 nm处出现了强的荧光发射。 配位聚合物1对荧光小分子具有识别性能,在不同的有机溶剂中,呈现出不同的荧光强度变化,经吡啶处理后,荧光发射波长发生了60 nm的蓝移,显示出对吡啶的特定识别性能。

辅助材料(Supporting Information)[配位聚合物的配位环境图、热分析以及相应的红外光谱图等]可以免费从本刊网站(http://yyhx.ciac.jl.cn/)下载。

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