1、含氮杂环有机配体:如吡啶,2,2´-联吡啶,4,4´-吡啶,1,10-邻菲罗啉等均为中性配体(图1。2),与金属离子的配位形式简单,多形成一维链状结构和二维层状结构,聚合物的形成通过氮杂环间π-π键相互连接。2011年,Romain Heck等人[1]采用4,4´-联吡啶与Cu(II)以及AF6型阴离子(A=Si,Ge,P)合成了两种多孔配合物。由于 4,4´-吡啶配体形成的MOFs中 Cu-N 的键能只有90kJ/mol,导致合成的MOFs稳定性并不是太好,当抽去客体分子后,其骨架易坍塌,从而失去原有的孔道。
图1。2常见的含氮杂环有机配体
2、含羧基有机配体:如脂肪族羧酸配体,芳香族羧酸配体和含杂环羧酸配体等,是最近几年MOFs合成中采用最多的配体(图1。3)。主要是由于羧酸配体上的氧原子与金属的配位能力较强,比如 Zn-O的键能有360kJ·mol-1,Cu-O 的键能有 372kJ·mol-1,比氮杂环类配体键能高的多,也因此骨架的稳定性更好;其次羧基与金属离子配位模式多种多样,可形成金属羧酸盐簇或桥连结构,增加了骨架的稳定性和刚性; 另外,完全或部分去质子化的羧基展现出不同的配位几何构型,易形成更高维数的结构。比如上面提到的HKUST-1[2],就是利用均苯三甲酸为有机配体合成的,Langmuir比表面达到了2900m2g-1。在除去孔道内的溶剂分子和配位水分子后,原有的骨架保持不变,显示了良好的稳定性。
图1。3常见的含羧酸有机配体
3、氮杂环与羧酸混合配体:研究者为了得到更新颖的拓扑结构,用混合配体替代单一配体,从而提高了使用含氮配体时结构的稳定性,但和只用羧酸配体的金属有机骨架相比,采用混合配体能得到的高维结构的可能性要小些。Fu和Su课题组[3]设计合成了一系列含羧酸和吡啶的混合有机配体,并且构筑了多个具有新颖互穿结构的MOF材料。
4、两种不同羧酸配体:两种羧酸配体的混合使用,可得到更多样的结构,制得的金属有机骨架更容易形成高维结构。
1。3。3配合物的合成方法
1、水热法或溶剂热法:溶剂热法是合成MOFs最常用的方法,先选用合适的有机溶剂溶解配体和金属离子,然后将溶液置于装有聚四氟乙烯内衬的反应釜或玻璃瓶中,在具有一定压力的情况下,再设定相应温度,使配合物结晶,该反应一般用水或有机溶剂作为反应体系,控制好温度和反应时间是能否获得晶体的关键。早期大部分MOFs都是通过此方法合成,如Yaghi课题组[4]在2002年报道的IRMOF系列,就是将Zn(NO3)2·4H2O和不同的羧酸配体,溶解在DEF溶剂中,一定温度下加热反应,最终得到了具有不同孔尺寸的金属有机骨架化合物,一度成为经典。该方法具有设备简单、适用范围广、晶体生长完美等优点,而且由于该法常在较为极端的条件下进行,因此对一些利用难溶的有机配体来制备 MOFs 的研究非常有效。论文网
水热法的容易受反应温度和pH值的影响。温度范围一般控制在120度到200度之间,反应的温度不同,得到的配合物结构也会有所不同,而且温度对晶体的生长起到关键性的作用,温度不高时,配体与金属离子不能很好地结合,所以适当提高温度就会避免这一情况,但温度也不能过高,不然容易破坏晶体的结构;在使用水热法时,pH的选择会影响产率,适当的pH会帮助我们获得更高的产率,还可以获得特殊结构的配合物,因为pH过高时,羧酸会失去质子,时其配位能力增强,容易形成高维配合物,其结构复杂,不易我们的研究,当pH过低时,往往形成低维配合物,所以实验过程中一定要把握好pH。
2002年,Yaghi研究小组[5]采用溶剂热法,通过修饰和改变有机配体的长度,合成了一系列与MOF-5具有相同拓扑结构的IRMOF。其中IRMOF-1就是我们熟悉的MOF-5。通过有机配体长度的有效调节,IRMOF系列化合的孔径范围从3。8 Å调节到了29 Å的介孔范畴,有效孔体积从55%扩大到91%,晶体密度也从1 mg/m3降低到了当时最低密度0。21 mg/m3。