EurJIC:配位环境对铀酰-有机配位聚合物发光性质的影响机制:金属-配体“轨道混合”

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研究铀酰配合物中金属中心与有机配体间相互作用,对于深入理解锕系元素配位化学、促进放射性核素资源化利用具有重要意义。基于铀酰离子独特的发光性质(由U=O σu → U 5fδu/ φu电子跃迁所导致的),铀酰配合物发光光谱分析是揭示此类材料的电子结构、实现在荧光检测方面广泛应用的有效途径之一。近年来计算化学在锕系元素配位化学和光谱性质研究上发挥着越来越重要的作用,但有关报道大多集中于结构简单的铀酰小分子配合物,对配位结构复杂的大尺寸铀酰配位聚合物却鲜有涉及。因此,深入开展铀酰配位聚合物发光光谱的相关理论计算研究,对于揭示锕系功能材料电子结构与发光性质的内在联系尤为迫切。


四川大学苏静研究员、李飞泽副研究员采用理论−实验相结合的研究思路,选用三种吡啶盐配体(L1−L3)在不同羧酸辅助配体参与下与铀酰离子进行自组装(图1),成功合成了一系列具有丰富拓扑结构的铀酰−有机配位聚合物。在此基础上,对所合成化合物的单晶结构、理化性质、光谱特性特别是发光光谱性质进行了系统的表征、分析,并结合密度泛函理论计算与高精度从头算方法,揭示了材料中铀酰的配位环境和发光光谱性质的内在关系。



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图1在不同的羧酸辅助配体(C2O42-、IPA和TPA)参与下,铀酰离子与三种吡啶盐配体(L1−L3)的自组装

基于模型化合物(mUOCP2−7)的理论模拟发光光谱与高纯相晶体化合物UOCP2−7的实验谱图高度吻合(图2)。进一步的计算结果表明,铀酰中心第一配位层的配体种类、配位模式、配位数等对相应配位聚合物的发光光谱性质有着极其显著的影响,而远离铀酰中心的配体取代基对于铀酰发光性质的影响十分微弱。对发光态的分子轨道分析表明(见图3所示的两个SOMO轨道及能级),配体同铀酰中心之间的轨道混合程度对于配合物发光光谱性质的影响十分显著。值得注意的是,氢氧根与铀酰之间的轨道混合程度显著高于草酸根和芳香羧酸根,配体种类对于铀酰发光光谱性质的影响程度因此按照如下顺序增加:芳香羧酸根<草酸根<氢氧根。该研究不仅拓展了吡啶盐配体在铀酰−有机配位聚合物合成中的应用,还有助于加深对铀酰化合物发光性质的理解。

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图2 理论模拟(实线)和实验测量(虚线)的UOCP2−7配合物的发光光谱

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图3 模型化合物mUOCP2−7的两个单占据轨道(SOMOs)及相应的能级。SOMO(黑线)和SOMO+1(红线)的主要成分分别是U=O σu轨道和轨道U 5fδu

文信息

A Joint Study of Experimental and Computational Chemistry to Probe the Effect of Coordination Modes on the Luminescence of Uranyl-Organic Coordination Polymers

Yu-Hao Dai, Zhen Zhao, Zi-Xin Wang, Prof. Dr. Ning Liu, Dr. Fei-Ze Li, Prof. Dr. Jing Su


European Journal of Inorganic Chemistry

DOI: 10.1002/ejic.202300090




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