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作者：

王建成

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摘要：

自1995年O.M. Yaghi在《Nature》提出金属-有机框架(MOFs)概念以来, MOFs的发展便以日新月异的速度进行着.过去的20年,数以万计的金属有机框架材料(MOFs)被化学家们合成出来.如今,化学家们不再仅仅追求得到结构新颖的金属-有机框架,而是设计合成结构明确,性能优异的有机无机杂化的有用材料.金属-有机框架是由金属中心作为节点和由有机配体作为链节组装而成,可形成从零维到三维的拓扑结构.如此的构成,也使得金属-有机框架材料有了充足的可修饰位点,这为人们改变或提高其性能奠定了基础.更令人振奋的是,金属-有机框架材料已经在实验室条件下成功应用于气体储存,吸附分离,光学传感,质子传导,药物传输与缓释和催化等领域.本文中,我们设计与合成了从一维,二维到三维的有机无机配位聚合物,分别对它们进行了阴阳离子同时交换,后合成修饰,催化氧化,催化还原和上转换光催化等性质的研究. I.以5-溴嘧啶为起始原料经过 Suzuki偶联,Click反应,亲电取代等一系列有机反应合成了嘧啶和吡啶为端基的,四氮唑桥联的弯折型有机配体 L1,然后 L1与氯化钴通过溶液法自组装得到紫红色一维双链配位聚合物 CP-1, CP-1的金属节点由Cl-Co-Cl组成,CP-1分别在浸泡在含有氯化铜,溴化铜和硝酸铜的甲醇溶液中能相应的发生肉眼可视的金属节点的交换而得到 CP-2,CP-3和 CP-4,而交换后的链状结构可以保持.这种金属节点整体交换首次被报道,为合成新化合物提供了一种手段;另外,"肉眼"可视的离子交换也许在金属离子和平衡阴离子的可视化检测中有潜在的用途. II.以4,4-二溴苯偶酰为起始原料经过成环,亲核取代和Suzuki偶联等一系列有机反应合成了吡啶为端基的,咪唑桥联的弯折型刚性有机配体 L2,然后 L2与对苯二甲酸和醋酸钴通过甲醇溶剂热的方式自组装得到 Co-MOF-1, Co-MOF-1含有配位甲醇,配位甲醇在单晶状态下很容易丢掉形成具有配位不饱和金属中心的Co-MOF-2.利用Co-MOF-2作催化剂,实现了对环己烷,苯乙烯,苯甲醇和1-苯乙醇类化合物的氧化,催化反应条件温和,为异相催化,催化剂易于回收与活化,可实现催化剂的循环利用. III.以4,4-二溴苯偶酰为起始原料经过成环,亲核取代,Suzuki偶联和水解等一系列有机反应合成了吡啶为端基的,咪唑桥联的弯折型含羧基的有机配体L3,然后 L3与醋酸镉通过甲醇溶剂热的方式自组装得到 Cd-MOF-1,Cd-MOF-1含有未配位的咪唑氮原子,通过后修饰的方式可以在氮原子上修饰上正十二烷的碳链合成咪唑盐,形成咪唑盐型三相相转移催化剂 Cd-MOF-IM,利用 Cd-MOF-IM作催化剂,首次实现了 MOFs在相转移催化方面的应用,成功催化了正溴代丁烷和正溴丙烷的叠氮化与硫醚化.催化反应温度较低,为异相催化,催化剂易于回收与活化,可实现催化剂的循环利用. IV.根据相应文献合成了 UiO-66-NH2,通过其对醋酸铜的吸附和还原处理制备了 Cu(II)@UiO-66-NH2和 Cu(0)@UiO-66-NH2两种复合催化剂.利用Cu(II)@UiO-66-NH2作催化剂,实现了催化环己烯选择性氧化;利用Cu(0)@UiO-66-NH2作催化剂,实现了催化苯乙烯的加氢还原反应.催化反应条件都十分温和,催化效率极高,为异相催化,催化剂易于回收与活化,可实现催化剂的循环利用. V.利用无机物诱导凝胶转变为晶体这一基本原理,实现将无机上转换材料NaYF4:Yb,Tm和无机半导体材料TiO2与MOF结合制备了两例多元复合型光催化剂NaYF4:Yb,Tm@Cd-MOF和 NaYF4:Yb,Tm@Cd-MOF@TiO2.主要通过 PXRD,IR,TGA,SEM,TEM,ICP,元素分析等手段表征了这两种催化剂的结构与组成;通过荧光发射光谱表征了这两种催化剂的上转化发光性质.初步分别探索了它们近红外光催化性能,近红外光催化反应合成了"卡洛芬"药物有机化合物,首次实现MOF复合催化剂的上转换光催化.综上所述,我们认为金属有机框架材料在催化等性质方面有很大的应用价值,还值得继续研究下去.研究发现:离子交换,后合成修饰,金属离子负载,材料复合等手段都可以制备新型MOFs催化剂.

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关键词：

金属有机框架 离子交换 后合成修饰 复合材料 上转换光催化 功能化 配位聚合物

学位级别：

博士

学位年度：

2017