金属有机框架中有机分子开关的固载及应用探究

发布时间：2020-05-19 15:51

【摘要】：有机分子开关(OMS)在外界刺激下可在两个或多个稳态之间可逆转变,是构筑和组成新型智能响应材料的最小基元。为进一步实现其应用,OMS常需从溶液态小分子转变成相应的固态材料。然而,从溶液态小分子修饰到固态材料的过程中,由于分子间距离的缩小、分子间作用力的增强以及分子间位阻的增大,固态OMS的转化效率往往较溶液态低,有时甚至难以维持开关性能。金属有机框架(MOFs)是一类由金属位点和有机配体通过配位自组装而形成的无限网络结构。作为一类新型的有机-无机杂化晶态多孔材料,MOFs可作为固载OMS的理想载体。首先,OMS可通过前体的设计,简单高效地引入到MOFs骨架中,实现OMS的固载;其次,通过合适的前体设计和选择,可构筑具有合适孔结构的MOFs,为OMS提供足够的空间完成可逆转变;此外,MOFs所具有的良好稳定性为OMS的转变提供结构基础,从而为OMS的高效转变提供保障。最后,由于MOFs具有很好的结晶性,将OMS引入到MOFs骨架中,可从晶体学角度对OMS的转变进行表征,为研究OMS的构效关系提供重要信息,进而为新型OMS的设计和功能MOFs的构筑提供理论支持,促进OMS在固态的高效转变和新型刺激响应性MOFs的构筑和应用。本论文首先简要介绍了 OMS的固载及固载过程中存在的问题;随后简要介绍了 MOFs的特点和MOFs作为载体固载OMS的优点,并对基于OMS所构筑的刺激响应性MOFs的研究做了详细的文献综述;最后对目前刺激响应性MOFs研究中存在的问题进行分析,针对这些问题并结合MOFs的结构特点,提出了将OMS通过有机组分的形式引入到稳定的多孔晶态MOFs骨架中实现其固态高效转变的策略。并将不同OMS通过该策略引入到MOFs骨架中,系统地探究OMS在MOFs中的固载和潜在应用。具体内容如下:(1)将酚通过有机组分的形式引入到稳定的锆金属有机框架(Zr-MOF)中,构筑了结晶性较好的Zr-MOF(命名为UiO-68-OH)。通过大量氧化还原条件的尝试,在维持晶态结构完整的条件下实现了酚在UiO-68-OH中高效定量的氧化还原,构筑了在氧化还原刺激下单晶到单晶转变的MOFs体系。此外,通过单晶照片和核磁氢谱及固体核磁碳谱对氧化还原过程进行跟踪,实验结果表明该氧化还原反应在MOFs骨架上由外及里高效进行,从而论证了本论文所提出的将OMS通过有机组分引入MOFs骨架中实现其固态高效转变策略的可行性。(2)通过本论文提出的策略,结合超分子化学,将光响应的偶氮苯分子引入MOFs骨架中,构筑了具有良好水稳定性的Zr-MOF(命名为UiO-68-azo)。将UiO-68-azo装载罗丹明B分子后,利用UiO-68-azo外表面的偶氮苯分子和β环糊精之间的超分子相互作用,在UiO-68-azo的外表面形成超分子复合物,使罗丹明B稳定存在UiO-68-azo内部。在紫外光或金刚烷胺刺激下,所形成超分子复合物发生解离,实现罗丹明B从UiO-68-azo孔道中的可控释放,从而简单高效地构筑了门控的罗丹明B可控释放体系,探究了将OMS固载到MOFs中的应用,为新型药物可控释放体系的构筑提供了一种简单高效的方法。(3)利用多组分MOFs的合成方法,将作为荧光光诱导电子转移(PET)的给体(蒽)和受体(马来酰亚胺)引入到同一 MOFs骨架中,构筑了晶型较好的双组分Zr-MOF(命名为UiO-68-An/Ma)。不同于荧光PET开关/探针的常规形式(发光体-连接体-受体),荧光PET在UiO-68-An/Ma骨架中纳米空间内紧密排列的蒽和马来酰亚胺之间也能高效发生。且通过D-A反应和thiol-ene反应对骨架中马来酰亚胺电子接受能力的调控,可实现对MOFs骨架中的荧光PET过程的高效调控。基于以上调控过程,构筑了热响应的固态荧光开关和对硫醇具有选择性响应的固态荧光增强探针。最后在将UiO-68-An/Ma用于生物相关硫醇的检测中发现,UiO-68-An/Ma在5分钟之内可对约50 μmol/L的巯基氨基酸具有明显响应,进一步探究了将OMS固载到MOFs中的应用,为固态荧光探针的构筑提供了一种新策略。
【图文】：

示意图,分子开关,外界刺激,氧化还原

图１－１．分子开关示意图逡逑分子开关是在外界刺激（如ｐＨ、氧化还原、光、温度等）存在下可在两个或多逡逑个稳态之间可逆转变的分子（如图１－１所示），是最简单的分子机器［２】。在分子开逡逑关转变的过程中，分子发生结构或性质的改变，进而输出荧光、紫外吸收、尺寸逡逑和手型等性质的改变。以有机分子为核心的有机分子开关（Ｏｒｇａｎｉｃ－ｂａｓｅｄ逡逑Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋Ｓｗｉｔｃｈｅｓ，邋ＯＭＳ）由于其优越的可调控性和合成方法的多样性［３］，越来越逡逑受到科研工作者的关注。常见有机分子开关根据其刺激响应性可分为ｐＨ响应分逡逑子开关、氧化还原响应分子开关、光响应分子开关等，，下面将分别作简要介绍。逡逑１逡逑

荧光光谱,偶氮苯,光响应,螺吡喃

Ｒｅｄｏｘ邋Ｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ逦Ｆｌｕｏｒｏｇｅｎｉｃｉｔｙ逡逑图１－４．邋Ｈ２Ｂ－Ｑ的氧化还原及氧化还原前后的荧光光谱逡逑１．２．３光响应分子开关逡逑光是一种非接触的刺激方式，在时间和空间上都具有其它刺激所不具备的良逡逑好特性，且根据现有的科技手段即可实现在时间和空间上的精确控制。因此光响逡逑应分子开关一种较为常见和种类较多的分子开关［２３］。常见的光响应分子开关有偶逡逑氮苯（ａｚｏｂｅｎｚｅｎｅ）［２４］、二芳烯（ｄｉａｒｙｌｅｔｈｅｎｅ）［２５］、螺卩比喃（ｓｐｉｒｏｐｙｒａｎ）［２６］等，如图邋１－５逡逑所示，下面对其进行分别介绍。逡逑sE逦0逡逑芳烯逦Ａ逡逑？八’人入？Ｒｉ人逡逑幚＿｜逦ｊＮ0２逡逑Ｎ邋＼逡逑图１－５．常见光响应分子偶氮苯、二芳烯及螺吡喃在相应光照下的可逆变化逡逑偶氮苯是一种研宄得较早且结构比较简单的光响应分子【２４］。在紫外光照下，逡逑偶氮苯从热稳定的反式转变为介稳态的顺式，介稳态的偶氮苯在无紫外光照时可逡逑３逡逑
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O641.4

【参考文献】