基于 NDI 的配位聚合物的荧光传感与多重刺激响应

《Journal of Molecular Structure》:Fluorescence sensing and multiple stimulus responses of NDI-based coordination polymer

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月15日 来源:Journal of Molecular Structure 4.9

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   •首次设计并合成了基于萘二酰亚胺衍生物的配位聚合物Zn-ONDI。•Zn-ONDI表现出明显的酸致变色行为。•Zn-ONDI对水合肼表现出独特的尺寸依赖型变色响应。引言多刺激响应材料是一类能够响应外界刺激(温度、pH值、离子浓度、光、电场、磁场)并发生物理或化学性质变化的材料

  
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    首次设计并合成了基于萘二酰亚胺衍生物的配位聚合物Zn-ONDI。
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    Zn-ONDI表现出明显的酸致变色行为。
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    Zn-ONDI对水合肼表现出独特的尺寸依赖型变色响应。

引言

多刺激响应材料是一类能够响应外界刺激(温度、pH值、离子浓度、光、电场、磁场)并发生物理或化学性质变化的材料。它们广泛应用于荧光传感、智能防伪、信息存储、药物递送和生物成像等领域。近年来,国内外许多研究小组对智能多刺激响应材料进行了研究[[1], [2], [3], [4], [5]]。他们设计合成了具有多重发射的金属有机框架和混合金属荧光分子磁体[[6], [7], [8]],并通过温度、压力和光等外界条件控制化合物的激发态行为[9,10]。他们分析了其构效关系,并探索了这些材料在温度传感、磁制冷、污染物检测、压力传感等领域的应用。在化学传感器中,具有多重刺激响应的小分子可作为敏感元件,用于检测环境中的特定分子或离子[[11], [12], [13]]。在材料科学领域,具有多重刺激响应的小分子可用于制备具有特定功能的智能材料。例如,通过引入具有多重刺激响应的小分子,可以制备具有形状记忆、自愈合和自组装等功能的高分子智能材料。它们还可用于开发新型光电器件和光学材料。通过调节小分子的光学性质和电子结构,可以对其光学性质进行精确控制和优化[14,15]。
偶氮苯[16,17]、螺吡喃[[18], [19], [20]]和联苯二甲酸等常见有机化合物已被广泛用作研究多重刺激响应的材料[21,22]。然而,其合成条件在很大程度上限制了其应用,尤其是在荧光传感领域。近年来,萘二酰亚胺(NDI)衍生物由于其独特的缺电子性能和平面π共轭结构,作为功能性配体在刺激响应材料领域引起了广泛关注。传统的NDI配体通常通过1,4,5,8位修饰的羧基(如1,4,5,8-萘四甲酸酰亚胺)与金属离子配位,形成多孔结构。这些配体的刚性骨架和配位位点的分布使其适合构建具有特定拓扑结构和高稳定性的金属有机框架(MOFs),并广泛应用于光电、传感、催化等领域[[23], [24], [25]]。M. D. Zhou课题组设计了基于N,N′-双(羧甲基)-1,4,5,8-萘二甲酸酰亚胺(H2CMNDI)的Cs-CMNDI,该材料在光热协同刺激下表现出显著的四色变换,超越了传统单色变化的局限[26]。它还可以检测抗生素头孢呋辛,显示出在医学和生态保育领域良好的应用潜力。L. Zhou等人通过向基于卟啉的金属有机层(2DTcpp)中引入2,7-双(吡啶-4-基)苯并[lmn][3,8]菲咯啉-1,3,6,8(2H,7H)四酮作为连接柱,设计了一种三维柱状层状结构3DNDITcpp,该材料具有优越的光催化活性氧(ROS)产生能力。在低功率光照射下,3DNDITcpp产生的ROS能有效灭活大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,推动了基于混合配体MOFs的晶体工程进展[27]。
相比之下,2,7-二羟基苯并[lmn][3,8]菲咯啉-1,3,6,8(2H,7H)-四酮(H2ONDI)是一种具有扩展芳平面π共轭结构的新颖NDI衍生物。它在2,7位引入了羟基(-OH)基团,在1, 3, 6, 8位具有羰基(C=O)基团。与传统NDI配体相比,H2ONDI表现出更多的配位位点、更强的结晶性和多功能性。研究表明,ONDI2-配体比传统NDI配体具有更低的电子密度,这种电子特性有利于与金属离子反应时形成稳定的晶体结构。此外,ONDI2-配体之间的π-π堆积相互作用不仅增强了骨架的稳定性,还赋予材料优异的半导体性能,显示出在光学和电子领域的应用潜力。例如,Y. Yan等人在2022年报道了La-ONDI、Sm-ONDI、Mn-ONDI和Cd-ONDI,它们表现出有趣的电导率和良好的结构完整性[28,29]。然而,强金属-羟基胺键的不可逆性给合成带来了重大挑战,这也是基于H2ONDI的MOFs报道稀少的原因。综上所述,H2ONDI作为一种功能化NDI配体,既兼具传统NDI配体的刚性和缺电子特性,又通过结构扩展显著增强了材料的多样性[30]。这为MOFs的设计提供了多功能平台,并为多刺激响应材料的发展开辟了新的方向。虽然H2ONDI在碱土金属配位聚合物中的应用已有报道,但探索仍然有限,特别是在光致变色和荧光响应等功能研究方面,仍处于初步阶段。
在此,我们报道了一种新型配位聚合物(CH3)2NH2[ZnCl(ONDI)](Zn-ONDI),该配位聚合物具有三维(3D)超分子结构,由H2ONDI与过渡金属离子Zn2+组合而成,表现出酸致响应以及对水合肼(N2H4·H2O)的可视化荧光变色行为。该超分子结构源于π-π堆积一维(1D)链的协同作用,是一种具有增强多功能性的有前景的替代方案,包括比率型荧光响应、尺寸依赖型变色和可逆的机械致变色——这些特征在单独的一维链系统中很少观察到[31,32]。本研究为基于NDI核心的多刺激响应和传感功能材料的开发提供了新的见解和实验基础。

章节摘要

实验部分

本研究所用的金属盐和溶剂均购自阿拉丁公司,未经进一步纯化。关于材料、测量方法、配体合成程序和表征的详细见补充信息。
将Zn(NO3)2·6H2O(45 mg,0.15 mmol)和H2ONDI(18 mg,0.1 mmol)的混合物加入到3 mL N,N-二甲基乙酰胺(DMA)溶液中。然后加入HCl(8 M,150 μL)。混合溶液在25°C下连续搅拌60分钟,形成

合成

本工作中,Zn-ONDI通过溶剂热条件下的一锅法成功合成。为优化生长条件,我们对金属盐与配体的摩尔比、溶剂体系、pH调节、反应温度和反应时间等因素进行了逐步探索。
首先,由于H2ONDI不溶于水,选择DMA(3 mL)作为反应溶剂。其次,不同的金属盐与配体比例,如1:2、1:4和1:6等

结论

总之,基于H2ONDI首次设计并合成了Zn-ONDI。Zn-ONDI表现出酸致变色响应行为,在酸性环境中发生从深红色到淡黄色的快速颜色变化。此外,Zn-ONDI对N2H4·H2O表现出比率型荧光传感和独特的尺寸依赖型变色行为。PET和氢键诱导发射机制得到了DFT计算和光谱数据的双重证实。研究发现存在

支持信息

CCDC 2566469(Zn-ONDI)包含本工作的晶体学数据。这些数据可免费从英国剑桥晶体学数据中心获取,网址为www.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif。补充实验细节和结果、材料与方法,包括图表。

CRediT作者贡献声明

王欣欣:撰写—原稿撰写,调查研究,数据整理。肖尧:形式分析,数据整理。关清林:撰写—审阅与编辑,监督,调查研究,经费获取。张婷:调查研究,经费获取,数据整理。刘洋:软件,资源。白凤英:撰写—审阅与编辑,监督。邢永恒:撰写—审阅与编辑,验证,监督,调查研究。

利益冲突声明

无利益冲突需声明。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金委员会(52302363)和辽宁省自然科学基金博士启动项目(2025-BS-0781)的资助。
王欣欣|肖尧|关清林|张婷|刘洋|白凤英|邢永恒
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