自旋交叉/超交联复合物在气体吸附变色方面的性能及机理研究

Royal Geographical Society-IBG proposes that in the 21st century, environment problems are the toughest challenge that we should face up and satisfactorily solve. Poisonous gases are continuously harmful to creatures and environments. Among them, carbon monoxide (CO) combines with hemoglobin to produce carboxyhemoglobin, which is ineffective for delivering oxygen to bodily tissues. Since the coordination unsaturated Fe(II) ions within heme group of hemoglobin in creatures could more efficiently coordinate with CO than oxygen, leading to spin crossover accompanying color variation. Therefore, the production of an effective and inexpensive gas sensor is necessarily needed to protect people from the toxic gas. However, seldom are spin crossover complexes applied in gas sensors. Meanwhile, the deep analysis of the structure of hemoglobin molecules inspires us to utilize spin crossover (SCO) materials combined with hypercrosslink (HCL) polymer materials to imitate the natural molecules. The spin crossover/hypercrosslink polymer composites (SHCs) that are color changeable under differential outer environments on account of the SCO materials and easy to process by virtue of the polymer could be regarded as hemoglobin-like materials and utilized to detect toxic gas, which is meaningful to both fundamental researches and applications.

CO气体分子极易与血红蛋白分子中的二价铁结合使其从血红色变为暗红色。受到血红蛋白与CO气体结合变色的启发，本课题旨在设计、合成类血红蛋白分子仿生材料并研究其在气体吸附变色方面的性能及机理。本研究将利用酞菁类自旋交叉分子（与气体分子配位后会导致颜色变化）来替换血红蛋白中包含二价铁的血红素分子，并且用多孔超交联高分子材料（具有气体吸附及选择吸附能力）来替换血红蛋白中的多孔多肽主体框架，从而合成出类血红蛋白分子，即自旋交叉/超交联高分子复合物（SHCs）。对其气体吸附变色方面的性能进行深入研究，如实验条件、复合程度及复合方式等对气体吸附变色方面的影响。最终揭示出相应作用机理为进一步的理论研究及实际生产提供理论与实验依据。本研究无论对于深入的科学研究或是将来的实际应用都是最基础的一环，具有十分重要的意义。

分子磁性化合物，尤其是自旋交叉磁性化合物，由于其对外部环境非常敏感，故引起了科学家的广泛兴趣。本项目尝试使用超交联高分子化合物、有机多齿及桥连配体、多酸、磷酸无机物等来控制化合物多维结构，共合成出11种不同类型的化合物，并且总结出以下规律：.1、多齿配体与桥连配体配合使用容易形成三维多孔结构；2、多酸端氧可以起到桥连配体的作用来链接过渡金属；3、缺位多酸类似多齿螯合配体进行封端来降低化合物维度，（缺位）多酸与螯合配体如邻菲罗啉等易形成0维化合物；4、利用多酸及单桥长端基配体可形成2D-2D穿插结构；。并且我们成功的合成出一种带有微小孔道且对于外部环境（温度）变化具有响应的类血红蛋白分子，这种磷酸锰化合物在低温2.5 K表现出磁弛豫行为。我们课题组还利用DFT方法研究超交联高分子化合物反应的最佳条件及其最佳吸附效果。此外，我们合成2个基于FeII单核自旋交叉化合物并对其阴离子环境对自旋交叉影响的机理进行DFT理论研究。综合上述结果，本研究为孔道分子磁性材料，超交联高分子材料及自旋交叉材料的研究机理奠定了坚实的理论和实验基础。共发表SCI论文9篇，仍有两篇待发表。项目投入经费24万元，到目前为止支出23.8263万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费计划用于本项目研究的后续支出。