溴代雙Salamo型Zn(II)配合物的合成、結(jié)構(gòu)及熒光性質(zhì)

劉國華，張 陽，謝克鋒，李亞娟

(蘭州交通大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，蘭州 730070)

Salen型配體及其衍生物在現(xiàn)代配位化學(xué)中發(fā)揮著重要的作用[1]，Salen型配體與不同的金屬離子相互作用后可形成結(jié)構(gòu)迥異，性質(zhì)不同的金屬配合物[2].因此，許多科學(xué)家對(duì)這些Salen型配合物的發(fā)光性能、催化性能、磁性質(zhì)、電化學(xué)傳導(dǎo)性和非線性光學(xué)材料等方面進(jìn)行了深入的研究[3-13].但是Salen型化合物的穩(wěn)定性較差，為了提高Salen型化合物的穩(wěn)定性，近年來，報(bào)道了許多用-CH=N-O-(CH2)n-O-N=CH-單元替代Salen型雙肟配體的-CH=N-(CH2)n-N=CH-單元從而形成Salamo型配體的研究[14-18]，配體單元中的N2O2配位環(huán)境可與d區(qū)和f區(qū)金屬原子配位后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)新穎、性質(zhì)多變的配合物.基于此，Nabeshima課題組和我們課題組分別對(duì)Salamo型配體及其配合物進(jìn)行了廣泛的研究[19-21]，發(fā)現(xiàn)此類配體及其配合物具有良好的發(fā)展?jié)摿Γ型蔀榕湮换瘜W(xué)新的研究熱點(diǎn)之一.

雙Salamo型配體與Zn(II)離子結(jié)合過程中常伴隨化學(xué)鍵空間位置及熒光性質(zhì)的變化，研究這一配位反應(yīng)可為環(huán)境中Zn(II)離子的識(shí)別與定量檢測提供基礎(chǔ)理論依據(jù).基于此，本文設(shè)計(jì)并合成了以2,3-二羥基-1,4-萘二醛為母體，3,5-二溴水楊醛修飾末端基的雙Salamo型四肟配體(H4L)，并以此配體與Zn(OAc)2·2H2O在乙醇和二氯甲烷的混合溶劑中反應(yīng)，通過自然揮發(fā)法得到該配合物單晶體[Zn3L(AcO)2(EtOH)][Zn3L(AcO)2(H2O)2].通過元素分析、溶解性實(shí)驗(yàn)、紅外光譜分析和X-射線單晶衍射等手段對(duì)配合物進(jìn)行了表征，確定了其空間結(jié)構(gòu)，并通過Hirshfeld表面分析和DFT理論計(jì)算對(duì)配合物進(jìn)行了理論計(jì)算分析，通過熒光光譜分析了該配體與Zn(II)配合物的熒光性質(zhì).以上研究可為雙Salamo型配體與Zn(II)離子配位的理論研究和實(shí)際檢測識(shí)別提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用的化學(xué)試劑如表1所列.實(shí)驗(yàn)儀器：Sartorius CP225D 電子秤；恒溫磁力攪拌器；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀RE-2000B；SHZ-DIII循環(huán)水真空泵；三用紫外分析燈；北京泰克X-4顯微熔點(diǎn)測定儀；德國Bruker VERTEX 70型紅外光譜儀；X-射線單晶衍射儀等.

表1 試劑目錄

1.2 配體H4L的合成

1,2-二胺氧乙烷合成方法見文獻(xiàn)報(bào)道[22].相應(yīng)的反應(yīng)方程式如圖1所示.

稱取1,2-二胺氧乙烷0.184 g (2 mmol)溶于10 mL乙醇得溶液1，另稱取3,5-二溴水楊醛0.56 g (2 mmol)溶于20 mL乙醇得溶液2，將溶液2置于恒壓滴液漏斗中，然后緩慢滴加至溶液1中，反應(yīng)溫度55 ℃，加熱攪拌6 h，冷卻至室溫后旋干溶劑得白色固體，并通過柱層析分離，得到單縮化合物3.將溶有2,3-二羥基-1,4-萘二醛的無水乙醇溶液置于恒壓滴液漏斗中，然后緩慢滴加至溶有單縮化合物3(0.704 g，2 mmol)的無水乙醇溶液中，混合液在溫度60 ℃下反應(yīng)24 h，減壓蒸餾至有白色固體析出，過濾，烘干得目標(biāo)配體H4L.反應(yīng)方程式如圖2所示.

圖1 1,2-二胺氧乙烷的合成Fig.1 Synthesis of 1,2-diaminoxyethane

圖2 配體H4L的合成路線Fig.2 Synthetic route to the ligand H4L

1.3 Zn(II)配合物的合成及單晶培養(yǎng)

Zn(II)配合物的單晶體采用溶劑自然揮發(fā)法得到.室溫下，將Zn(OAc)2·2H2O (6.60 mg,0.03 mmol)溶于2 mL無水乙醇溶液中，另稱取H4L配體(8.83 mg,0.01 mmol)溶于4 mL二氯甲烷溶液中，將上述兩種溶液混合后顏色立即變成黃色.溶液磁力攪拌1 h，過濾，濾液封口靜置，10天后，溶劑部分揮發(fā)后得到了橙黃色透明單晶體，分子式：C70H61Br8N8O27Zn6.

1.4 X-射線單晶衍射數(shù)據(jù)

Zn(II)配合物晶體結(jié)構(gòu)用SHELXTL程序算得，運(yùn)用Patterson函數(shù)法求得金屬原子坐標(biāo)，經(jīng)Fourier合成進(jìn)行多次迭代得到全部非氫原子坐標(biāo)，再對(duì)所有非氫原子坐標(biāo)和各向異性參數(shù)進(jìn)行修正，其中氫原子由理論加氫得到.該配合物的單晶近似尺寸為0.23 mm×0.21 mm×0.17 mm，通過Bruker Smart 1000 CCD面探測衍射儀檢測，X-射線衍射數(shù)據(jù)通過石墨單色Mo-Kα輻射在154.89(10)K溫度下，用ω掃面方式采集.配合物CCDC:2055963，其鍵長、鍵角參數(shù)如表2所列.

2 結(jié)果與討論

2.1 元素分析

Zn(II)配合物的元素分析數(shù)據(jù)及組成見表3.由表3可以看出，該配合物的所有元素分析結(jié)果與理論值很接近.

表2 Zn(II)配合物的晶體學(xué)數(shù)據(jù)

2.2 溶解性測定

室溫下，測定了Zn(II)配合物在9種有機(jī)溶劑中的溶解性情況，結(jié)果見表4.由此可得：配體H4L與乙酸鋅(II)形成的Zn(II)配合物在9種有機(jī)溶劑中的溶解性差異較大，易溶于DMF和DMSO等強(qiáng)極性溶劑，在非極性溶劑中溶解性較差.

2.3 紅外光譜分析

配體H4L及其Zn(II)配合物的紅外光譜在500～4 000 cm-1區(qū)域內(nèi)顯示出不同的峰，詳見表5.

自由配體H4L中的νC=N鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰出現(xiàn)在1 610 cm-1處，而在Zn(II)配合物中，νC=N鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰向低波數(shù)位移，出現(xiàn)在 1 602 cm-1處.相對(duì)于自由配體，這一吸收峰向低波數(shù)位移了8 cm-1，說明該配體有較強(qiáng)的π-接受能力，也表明配體的C=N基團(tuán)中的氮原子與Zn(II)離子發(fā)生了配位.配體H4L在3 421 cm-1處的吸收峰為酚羥基O-H伸縮振動(dòng)吸收峰，而在Zn(II)配合物中該位置的吸收峰消失了，說明配體H4L中的酚羥基去質(zhì)子后與Zn(II)離子配位了.此外，在配合物中觀察到3 357 cm-1和3 409 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰可分別歸屬為參與配位的乙醇分子和水分子的O-H伸縮振動(dòng)譜帶.

在配體H4L中，νAr-O的伸縮振動(dòng)吸收峰位于1 258 cm-1處，在配合物中此吸收峰出現(xiàn)在1 226 cm-1處.νAr-O的伸縮振動(dòng)吸收峰向低波數(shù)發(fā)生了位移，可歸因于Zn(II)離子和酚氧原子之間形成了Zn-O鍵.此外，配合物在530 cm-1處出現(xiàn)了M-O鍵的吸收峰，而在自由配體H4L中未出現(xiàn)，也表明了配體與乙酸鋅發(fā)生了配位.

表3 Zn(II)配合物的元素分析數(shù)據(jù)

表4 Zn(II)配合物在有機(jī)溶劑中的溶解性測定

2.4 Zn(II)配合物的晶體結(jié)構(gòu)分析

Zn(II)配合物的晶體結(jié)構(gòu)及金屬原子的配位多面體如圖3所示.X-射線單晶衍射結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表明，Zn(II)配合物晶體的空間群為P21/n，屬于單斜晶系.該晶體[Zn3L(AcO)2(EtOH)][Zn3L(AcO)2(H2O)2]由兩個(gè)化學(xué)不等同，晶體學(xué)不等同的獨(dú)立三核結(jié)構(gòu)單元(A和B)組成，其中，A部分由一個(gè)完全去質(zhì)子化的配體(L)4-單元、三個(gè)Zn(II)原子、兩個(gè)橋聯(lián)的醋酸根離子，以及參與配位的一個(gè)乙醇分子構(gòu)成；B部分由一個(gè)完全去質(zhì)子化的配體(L)4-單元、三個(gè)Zn(II)原子、兩個(gè)橋聯(lián)的醋酸根離子，以及參與配位的兩個(gè)水分子構(gòu)成.

表5 配體H4L和Zn(II)配合物主要的紅外光譜數(shù)據(jù)

如圖3(a)所示，A部分兩端的兩個(gè)Zn(II)原子分別與配體提供的兩個(gè)肟氮原子、兩個(gè)酚氧原子以及雙齒橋聯(lián)醋酸根中的一個(gè)氧原子配位，而處于中心的Zn(II)原子分別與配體的兩個(gè)酚氧原子、一個(gè)乙醇分子的氧原子和雙齒橋聯(lián)醋酸根中的兩個(gè)氧原子配位.Zn1原子是五配位的，與配體中兩個(gè)完全去質(zhì)子的酚氧原子(O1，O4)和肟氮上的兩個(gè)氮原子(N1，N2)以及橋聯(lián)醋酸根上的一個(gè)氧原子(O12)配位.與之對(duì)稱的Zn3原子也是五配位的，配位模式同Zn1一樣.中心Zn2原子與配體中兩個(gè)完全去質(zhì)子的酚氧(O4，O5)、一個(gè)乙醇分子的氧原子(O13)和雙齒橋聯(lián)醋酸根上的兩個(gè)氧原子(O10，O11)配位，形成五配位構(gòu)型.配合物中配位金屬原子的空間構(gòu)型可通過計(jì)算τ值來確定，公式：τ=(最大鍵角-第二大鍵角)/60，表6給出了Zn(II)配合物的主要鍵長與鍵角.依此計(jì)算可知，三個(gè)Zn(II)原子的空間構(gòu)型均為三角雙錐(見圖3(b)).

同樣的，如圖3(a)，B部分兩端的兩個(gè)Zn(II)原子(Zn4，Zn6)分別被兩個(gè)N2O2空腔包圍，均是五配位的三角雙錐空間構(gòu)型.其中，Zn4原子與配體提供的兩個(gè)肟氮原子(N5，N6)、兩個(gè)酚氧原子(O14，O17)以及雙齒橋聯(lián)醋酸根中的一個(gè)氧原子(O23)配位；Zn6原子坐落在另外一個(gè)空腔內(nèi)(N7，N8，O18，O21)，同時(shí)與雙齒橋聯(lián)醋酸根中的一個(gè)氧原子(O25)配位.而中心的Zn(II)原子(Zn5)是六配位的，與配體中兩個(gè)完全去質(zhì)子的酚氧原子(O17，O18)、兩個(gè)水分子的氧原子(O26，O27)和雙齒橋聯(lián)醋酸根上的兩個(gè)氧原子(O22，O24)配位，形成扭曲的八面體空間構(gòu)型(見圖3(b)).

圖3 Zn(II)配合物的晶體結(jié)構(gòu)及Zn(II)原子的配位構(gòu)型Fig.3 Crystal structure of Zn(II) complex and coordination configuration of Zn(II) atom

表6 鋅(II)配合物的主要鍵長和鍵角

2.5 Zn(II)配合物的超分子作用分析

如圖4(a)，4(b)所示，配合物中有十一對(duì)分子內(nèi)氫鍵相互作用(O13-H13…Br2，O13-H13…O1，O26-H26A…O21，O26-H26B…O22，O27-H27A…O24，O27-H27B…Br5，O27-H27B…O14，C8-H8B…O12，C23-H23B…O9，C44-H44A…O23和C59-H59A…O25)，另外配合物還有四對(duì)分子間氫鍵相互作用(C9-H9B…O15，C30-H30…O3，C60-H60…O10，C60-H60…O11).通過這些分子間氫鍵沿著確定(bc)方向的相互作用形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的二維(2-D)超分子結(jié)構(gòu).除此之外，如圖4(c)所示，Zn(II)配合物分子通過分子間氫鍵相互作用形成了無限三維(3-D)超分子結(jié)構(gòu).Zn(II)配合物的氫鍵相互作用列于表7中.

2.6 Zn(II)配合物的Hirshfeld表面分析

通過Crystal Explorer 程序?qū)n(II)配合物進(jìn)行Hirshfeld表面分析，結(jié)果如圖5所示，顯示了dnorm、de和di映射上電子云分布情況.圖中箭頭所示不同區(qū)域分別表示配合物中O…H相互作用和C…H/H…C，H…H等相互作用.

圖6為Hirshfeld表面分析二維指紋圖，完整指紋的輪廓顯示為灰色，各分圖中的黑色區(qū)域代表不同的短程相互作用.通過計(jì)算得出配合物中C…H/H…C、O…H/H…O、H…H/H…H和Br…H/H…Br相互作用的占比分別為17.7%、8.1%、38.6%和21.4%，正是由于這些短程相互作用使Zn(II)配合物穩(wěn)定存在.

表7 Zn(II)配合物的分子內(nèi)及分子間氫鍵的鍵長及鍵角

圖5 Hirshfeld表面分析Fig.5 Hirshfeld surface analysis

圖6 Zn(II)配合物Hirshfeld表面接觸百分比指紋圖Fig.6 Fingerprint of Hirshfeld surface contact percentage of Zn(II) complex

2.7 Zn(II)配合物的DFT理論計(jì)算

為了深入研究Zn(II)配合物的電子結(jié)構(gòu)，使用Gaussian-09軟件對(duì)Zn(II)配合物進(jìn)行DFT計(jì)算，通過密度泛函理論計(jì)算了分子軌道的能級(jí)差.Zn(II)配合物的分子軌道如圖7所示，配合物的分子軌道能級(jí)可從A、B兩部分分析，分別對(duì)應(yīng)乙醇參與配位的獨(dú)立單元和水分子參與配位的獨(dú)立單元.乙醇參與配位的A獨(dú)立單元中，HOMO分子軌道電子集中分布在3,5-二溴水楊醛上，LUMO分子軌道集中分布在Zn(II)原子和萘環(huán)上.分子中能量EHOMO=-5.655 2 eV，ELUMO=-2.530 1 eV，兩個(gè)分子軌道的能極差(ΔE=ELUMO-EHOMO) 是3.125 1 eV.水分子參與配位的B獨(dú)立單元中，存在α和β兩個(gè)自旋分子軌道，α自旋軌道中EHOMO=-5.427 2 eV，ELUMO=-2.365 2 eV，能極差ΔE=3.062 eV；β自旋軌道中EHOMO=-5.732 5 eV，ELUMO=-2.588 9 eV，能極差ΔE=3.143 6 eV.ΔE值較小，表明配合物穩(wěn)定性高.結(jié)果表明，在Zn(II)配合物的形成過程中，電子發(fā)生躍遷，形成了穩(wěn)定性更高的配合物.

2.8 熒光光譜分析

圖8顯示了在1.0×10-3mol/L的DMF溶液中測定的配體H4L及其相應(yīng)的Zn(II)配合物的熒光光譜.熒光測定參數(shù)值為激發(fā)波長412 nm，激發(fā)波長和發(fā)射波長的狹縫寬度均為10 nm，配體H4L在501 nm處出現(xiàn)一個(gè)較弱的發(fā)射峰，把它歸屬為苯環(huán)中的的π-π*躍遷.而Zn(II)配合物在此波長下激發(fā)時(shí)，490 nm處產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)烈的發(fā)射峰，相對(duì)配體藍(lán)移了11 nm，這可歸因?yàn)榕潴w到金屬離子的電荷轉(zhuǎn)移(LMCT)[23]，說明Zn(II)離子與配體H4L配位形成了配合物.其熒光增強(qiáng)機(jī)理是由于具有d10電子構(gòu)型的Zn(II)離子與配體H4L中的N2O2基團(tuán)配位形成螯合環(huán)，增大了分子共軛程度，降低分子振動(dòng)，從而導(dǎo)致配合物剛性增強(qiáng)，產(chǎn)生螯合熒光增強(qiáng)效應(yīng)(CHEF)[18].

圖7 Zn(II)配合物的分子軌道圖Fig.7 Molecular orbital diagram of Zn(II) complex

圖8 配體H4L和Zn(II)配合物的熒光光譜Fig.8 Fluorescence spectra of ligand H4L and Zn(II) complex

3 結(jié)論

本文合成出了一種新的四溴代雙Salamo型配體H4L，通過溶劑自然揮發(fā)法得到該配體與Zn(OAc)2·2H2O反應(yīng)后的六核Zn(II)配合物單晶：[Zn3L(AcO)2(EtOH)][Zn3L(AcO)2(H2O)2]，利用多種測試方法對(duì)配體H4L及其Zn(II)配合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和性質(zhì)表征.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該配合物在不同溶劑中溶解性差異大；紅外光譜分析表明配體 H4L的N2O2配位環(huán)境有利于Zn(II)原子與之配位；晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)該配合物含有兩個(gè)不同的配位單元，兩個(gè)配位單元的相同之處是均含有三個(gè)Zn(II)原子、一個(gè)去質(zhì)子化的(L)4-單元、兩個(gè)橋聯(lián)的醋酸根離子，不同之處在于中心Zn(II)原子配位的溶劑分子，一個(gè)是乙醇分子，另外一個(gè)是水分子參與配位；Hirshfeld表面分析表明配合物分子間存在氫鍵作用以及不同原子間的短程相互作用；通過DFT理論計(jì)算研究進(jìn)一步證實(shí)了配合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；熒光光譜結(jié)果表明，在同一激發(fā)波長下，當(dāng)配體形成Zn(II)配合物后，熒光發(fā)射峰明顯增強(qiáng)，其機(jī)理為螯合熒光增強(qiáng)效應(yīng)(CHEF).以上工作都為環(huán)境中Zn(II)離子的識(shí)別與定量檢測提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，對(duì)雙Salamo型配合物的進(jìn)一步研究具有指導(dǎo)意義.