晶体工程诞生于二十世纪七十年代, 目的是可以人为的有效控制合成和自组装出新颖结构和性质良好的配位聚合物, 从而为人们提供更多选择的高效材料, 设计和合成预期的功能配合物涉及了光学、晶体学、超分子化学、磁学等众多领域。配位聚合物有着多变的拓扑结构, 使其在气体吸附、磁性能、光学性能、铁电、催化等的众多领域的有重要应用, 所以研究功能配位化合物已经是配位化学和材料科学领域的热点。晶体工程的科研意义是研究分子或离子间的互相作用, 探寻分子组装的规律性的结论, 从而为其他研究人员提供可靠的合理的构筑目标配合物的有效方法。至今为止, 国内和国外的科研工作者在探索构筑配合物的道路上已经获得了大量的宝贵经验。但是, 得到预期的具有良好性能的聚合物仍然具有很大的挑战。因此, 科研工作者在寻求结构新颖的配体的同时也大胆尝试多种多样的合成手段。
1 四唑类配位聚合物的合成
在构筑聚合物时, 有多种因素会影响最后目标产物的结构, 性能和产量。首先是配体的选择。配体为构筑目标产物提供孤对电子, 并且配体中的O、N、S、P可以与金属直接配位, 所以含有多个氮原子的配体是潜在的优良配体。唑类的配体拥有较多的配位点, 在这类体系中加入金属离子可以形成不同维度的功能聚合物;另外, 用唑类配体构筑配合物时容易形成氢键、ππ堆积, 所以这类配体的体系更容易等到新颖的结构。相对于咪唑和三唑, 四唑在五元环内有四个氮原子, 并且都能参与配位, 四唑配体的配位模式也是多种多样的, 所以更具有合成优良性能配合物的潜力。其次, 要得到新颖的配合物, 选择恰当的金属离子也很重要。配位数决定了配合物的基本几何构型, 也就是中心的金属离子与其配位的原子个数。配体的电子构型和半径、电荷数与金属离子会影响配位数。过渡金属如锰, 钴, 铁, 镍形成配合物一般具有潜在良好的磁学性能, 金属锌和镉构筑的聚合物一般具有潜在的良好光学性能。
培养晶体的方法很多。主要有:a、冷却法。将配体, 金属盐放入烧杯中。加入溶剂后, 在搅拌的过程中调节溶液的PH, 再利用冰箱冷却, 从而吸出晶体。b、常温挥发法。将配体, 金属盐放入玻璃杯中加入合适的溶剂, 搅拌, 调PH, 常温吸出晶体。c、溶剂热法。将搅拌过后的合适比例的配体与金属盐的混合溶液放入不锈钢釜内, 设定合适的烘箱的反应温度和时间, 利用高压和高温的条件来构筑常温实现不了的有利的反应条件, 从而等到性质良好的金属功能聚合物。溶剂热的方法可以利用原位合成四唑配体, 也可以采用直接加入四唑配体的方法来构筑配位化合物。
2 四唑类配位聚合物的应用
2.1 气体吸附材料
近些年来, 随着全球资源大量的消耗, 出现了资源紧缺和环境污染的问题。因此, 更高效, 更清洁的能源是科学家的首选。甲烷和氢气是现在比较理想的替代能源, 他们的反应产物没有污染而且热值较高。研究可以安全存储甲烷和氢气的新型材料成为当今的热点问题之一。多孔的金属功能聚合物拥有可以调节的孔径, 高度规则的网格框架, 可以容纳大小不同的客体分子, 而且经过化学研究人员修饰表面后能拥有更过的潜在优良性质。基于四唑配体的金属功能配位聚合物有着较好的热稳定性, 大的内部孔道和较高的比表面积, 所以, 在吸附气体领域有着很好的应用和研究的前景。
2.2 光学材料
这方面的研究主要体现在非线性光学、光致发光以及电致发光及几个重要的方向。非线性光学的材料在光信号处理以及光波的转换频率等方向有着良好的开发和应用的前景。非中心对称的固体具有的光现象包括了固体的非线性的光学性质。在无机化学光学材料中, 磷酸二氢钾以及铌酸锂可制作成不同的光电器具。随着功能配位聚合物的研究的深入, 人们发现金属功能配合物将是一种极具发展潜力的新型非线性的光学材料, 而且已经吸引了更多的科学人员的注意和兴趣, 他们力求在配合物实验方面和理论层面的探索更进一步。
2.3 磁性材料
强磁性物质是人们通常意义上的磁性材料, 它是传统, 用途很广的功能材料。磁性材料早期根据用途可以分为:铁铬钴磁铁、铁氧体、钐钴磁体、钕铁硼、铝镍钴磁铁等五种。金属有机聚合物和上述传统的磁材料相比较, 可以更加有效传递磁耦合作用, 并且有希望通过尝试获得长程有序性质良好的分子磁体。基于四唑配体建筑的金属功能配位聚合物更易生成链状结构或是多核结构。通过四氮唑配体的不同的配位模式, 可以有效的传递磁性, 所以四唑配体形成的多核或是链状功能配合物具有良好和奇特的磁性能。
3 结语
目前合成聚合物的条件逐渐成熟, 方法日趋多样, 合成技术也不断发展, 然而设计合成出有新颖的结构, 良好功能的配位聚合物还需要更加合理的设计, 并且还要进一步对分子识别、反应条件、分子匹配以及影响因素等方面的探索, 通过有效的控制合成来获得预期的目标配位聚合物。具有多个配位氮原子的四唑及其衍生物在构建多维结构和新颖拓扑网格起到重要作用, 并且在光、磁、吸附等功能材料中表现出优良的性质。今后的研究方向是对构筑性质优良的配合物的合成条件和机理的深入研究与探索, 归纳不同体系, 不同配体合成配合物的规律和经验, 进一步深入探索混金属与混合的无机、有机配体在构筑配合物方面的设计与组装工作, 以达到可以人为的有效控制合成和自组装的目的。
摘要：论述了四唑类的功能化合物的发展现状、合成以及在气体吸附、磁性能、光学性能、铁电、催化等的众多领域的重要应用。
关键词：四唑,配位化合物,磁性,吸附
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