与分子导体相关的多功能材料研究

【摘要】分子导体具有密度小、易于调节和改造的优点,其发展速度是非常惊人的。分子导体研究对象可分为电荷转移复合盐(主要是基于类似四硫富瓦烯及其衍生物等)、富勒烯金属盐、以及石墨烯和碳纳米管材料等。我们知道,多硫化合物,如四硫富瓦烯及其衍生物、以及1,2-二硫烯配合物等,作为多功能构筑基块已经被广泛地应用于超分子和材料化学领域,如磁性导体、磁性半导体、有机场效应管(FET)、分子内电荷转移的非线性光学材料以及分子开关及分子线等。而石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子二维材料,具有良好的导电性和机械强度,已经被广泛应用于分子电子器件、能量转移、能量存储和催化。由此,石墨烯纳米材料也促进了一类新型功能材料及科技的发展。构建基于分子导体的多功能材料,如具有导电和磁相互作用、优良催化性能等,是当前一个重要课题。本文中,我们主要选择四硫富瓦烯衍生物和石墨烯为研究对象,构筑基于分子导体的多功能体系。设计并合成了一系列基于四硫富瓦烯取代的双齿配体及其三羰基一价铼配合物,新型一价金和二价铂二硫烯配合物。在石墨烯上,成功负载了钯纳米粒子。进一步系统研究了它们的光物理、光化学及电化学等性质。1.成功合成了一个基于四硫富瓦烯的联吡啶配体,5-[{2-[4,5-双(硫甲基)-1,3-硫-2-叶立德]-5-(硫甲基)-1,3-二硫-4-yl}-硫-]-甲基-2,2’-联吡啶(L1).配体L1分别与氯化五羰基铼和溴化五羰基铼在甲苯中回流,高产率(73%和68%)得到相应的三羰基一价铼配合物1和2,Re(L1)(CO)3X(X=Br,1;X=Cl,2).通过红外和核磁表征了这两个配合物。在红外光谱中,观察到了三羰基一价铼配合物的三个典型的羰基伸缩振动峰,表明了这三个配位羰基配体的面部排列方式。在核磁光谱中,与自由配体相比较,配合物中联吡啶环的氢信号都相应的向低场移动了0.13-0.40ppm,这和配体与一价铼配位后联吡啶单元上电子云密度降低是一致的。用X射线单晶衍射确定了配合物1和2的晶体结构。研究了这些化合物的紫外吸收光谱。电化学数据表明这些化合物呈现丰富的氧化还原过程,可以被氧化成相应的一价自由基和二价阳离子。这表明四硫富瓦烯联吡啶配体可能进一步用于多功能金属配合物中的研究。2.用4’,5’-双-(硫甲基)-[2,2’-双(1,3-二硫叶立德)]-4-酰氯分别和过量的2,2’-双(吡唑基)乙胺或者双(吡啶基-2-亚甲基)胺反应,成功制得配体基于四硫富瓦烯的吡咯基配体L2和吡啶基配体L3。配体L2在6.12ppm处呈现核磁信号峰,可归结为在氨基官能团上的氢。红外光谱中1566cm-1的峰归结为吡唑基团上C=C和C=N键的伸缩振动峰。基于多齿配体L2,合成并表征了其三羰基一价铼配合物Re(L2)(CO)3C13.在红外光谱中,观察到了三羰基一价铼配合物的三个典型的羰基伸缩振动峰(约2025,1919和1882cm-1),表明了这三个配位羰基配体的面部排列方式。用X射线单晶衍射确定了配体L2和配合物3的晶体结构。研究了这些化合物的紫外吸收光谱和电化学性质。结果表明酰胺功能化的氧化还原活性的四硫富瓦烯配体,可能应用于多功能金属配合物的研究。3.基于多硫二硫烯配体L4和L5(L4=喹啉-2,3-二硫烯,L5=[4’,5:5,6][1,4]二噻英并[2,3-b]喹啉基-1’,3’-二硫烯),合成并表征了两个一价金配合物[Au2(μ-L4)(PPh3)2](4)和[Au2(μ-L5)(PPh3)2](5),两个二价铂配合物[Pt(dbbpy)(L4)](6)和[Pt(dbbpy)(L5)](7).利用X射线衍射确定了配合物4-6的分子结构。研究了这些化合物的光谱行为,相比配合物4或6,配合物5或者7的归一化发射光谱相应发生蓝移并荧光增强,这主要归结为取代基的不同。通过改变二硫烯配体以及配体的给电子和拉电子能力,可以调控电荷转移吸收和发射能级。4.通过卟啉硼在油胺和1-十八(碳)烯中还原乙酰丙酮钯,制得4.5纳米钯纳米粒子。通过对分散在正己烷中的钯纳米粒子和石墨烯的DMF溶液超声处理,把钯纳米粒子加载在石墨烯表面。负载的钯纳米粒子在石墨烯表面呈现氧化还原活性,这说明在钯纳米粒子和石墨烯之间有强的相互作用。在0.1M甲酸和0.1M高氯酸中电氧化甲酸,钯纳米粒子负载在石墨烯表面的活性是钯纳米粒子负载在碳表面的两倍。更重要的是,在电氧化条件下,钯纳米粒子负载在石墨烯表面比钯纳米粒子负载在碳表面更稳定。我们的工作证明了石墨烯作为负载物加强钯纳米粒子活性和稳定甲酸氧化的巨大潜力。这里的负载观念也可以延伸到其它纳米粒子上,为研究和调控石墨烯对纳米粒子催化许多不同化学反应的影响成为可能。
【作者】金涛；
【导师】左景林；
【作者基本信息】南京大学，无机化学，2014，博士
【关键词】石墨烯；氧化还原活性；振动峰；Nanjing；磁光谱；单晶衍射；电化学性质；紫外吸收光谱；光谱行为；complexes；

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