基于芳环二羧酸及其酰腙衍生物的金属配合物的合成、结构与磁性研究

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由于人类对于高密度与高响应速度的信息存储材料以及高性能与环保的制冷技术的强烈需求,使得在此方面具有巨大应用潜力的分子基磁性材料得到越来越多研究者的重视。而通过新型配体的设计,构建具有新颖结构与优良磁性的配合物,并对其进行磁学性质研究,对于推动新型分子基磁性材料的研究与应用具有极其重要的意义。  芳环二酸与酰腙类配体分别在基于无限多维聚合物与有限多核簇合物的分子基磁性材料的构筑之中扮演了重要的角色,并且在其磁学性能的调控上显示出相应的潜力。本文基于这两类配体配合物结构与磁性的研究现状,设计合成了二极配位基团之间含有氧桥连基团(酚羟基或Ooxynitride)的芳环二羧酸配体2-羟基异酞酸(H3ipO)以及双酰腙配体邻香草醛缩2,6-氮氧吡啶二甲酰腙(H4ovpho)与水杨醛缩2,6-氮氧吡啶二甲酰腙(H4sapho)。通过合成方法与条件的多方调控,以这些配体合成了7个系列共计35个配合物,并对配合物的结构与磁性进行了较为系统的研究。这些配合物的空间结构囊括零维、一维、二维与三维四种形式,而金属中心则包含3d、4f与3d-4f三种类型。多个配合物被发现具有单分子磁体(Single Molecular Magnet,SMM)行为与磁制冷效应(Magnetocaloric Effect,MCE)。具体进展如下:  1、使用H3ipO合成了两类3d金属配位聚合物。第一类为基于[24-MC-6]金属冠簇二级结构单元(Second Building Units,SBUs)的三维MOFs(Metal Organic Frameworks,MOFs):[Co6(HipO)6]·6H2O(1)、[Mn6(HipO)6]·6H2O(2)、[Cd6(HipO)6]·6H2O(3)与[Zn6(HipO)6]·7H2O(4)。这些MOFs是首批不需任何辅助配体构筑的均核[24-MC-6] MOFs,且其[24-MC-6] SBUs在框架之中呈现独特的排列方式。而在与第一类MOFs相同的合成条件下,不同配比的金属离子与H3ipO的反应则获得了两例单syn-anti羧酸基团桥连的一维配位聚合物:[Co2(HipO)2(Py)2(H2O)2](5)与[Ni(HipO)(Py)H2O](6)(Py=吡啶)。虽然上述两类配合物中H3ipO并未如同我们设想一样以Ohydroxy1来桥连金属离子,但是却表现出在以往报道中所没有发现的两类特殊配位模式。磁性研究表明,1与2在高温区均表现为反铁磁行为,同时1在低温区呈现弱铁磁现象;5表现为自旋反铁磁行为,6则呈现铁磁行为。此外,1、5与6也均被发现具有MCE,其中1是迄今为止-ΔSm值最高的Co基配合物。  2、以H3ipO与稀土硝酸盐在相同的水热反应条件下,合成了两类4f金属配位聚合物:[Ln2(ipO)2(H2O)4]·2H2O(第一类,Ln=Eu(7),Gd(8),Tb(9),Dy(10),Ho(11),Er(12))与[Tm4(ipO)4(H2O)4](第二类,13);而当溶剂体系引入DMF之后,则得到第三类配位聚合物:[Ln2(ipO)2(DMF)(H2O)](第三类,Ln=Gd(14),Tb(15),Dy(16),Ho(17),Er(18)与Tm(19))。这些配位聚合物均为基于配体Ohydroxyl桥连而成的{Ln2}SBUs的二维框架结构,但由于镧系收缩与溶剂效应,三类配位聚合物在Ln3+的配位几何构型、配体的配位模式,SBUs的组成等方面均呈现有趣的变化。磁性研究表明,两类Gd基聚合物(8与14)均表现出较好的MCE,而第一类结构中的Dy基聚合物(10)则被发现具有SMM行为。  3、在相同的水热条件下,使用H3ipO配体与稀土硝酸盐以及醋酸铜反应获得两类Cu-Ln异核配位聚合物:[Ln4Cu8(ipO)8(ox)2(H2O)12](Ln=Sm(20); Eu(21)]与[Ln2Cu6(ipO)6(H2O)12][ox=C2O42-; Ln=Gd(22); Tb(23); Dy(24)]。第一类聚合物为基于{Cu8}SBUs与{Ln2}SBUs三维框架结构,且具有罕见MoGe2型拓扑;而第二类则呈现由{Cu6}SBUs与单个Ln3+共同构筑的链状结构。两类聚合物中均含有由弱的Cu-O键与π-π堆积作用共同连接[Cu2(ipO)2]2-单元而形成的多层状Cu簇基SBUs,但因Ln3+不同的催化活性,使得第一类结构中配体部分分解而原位产生了C2O42-。这些C2O42-将Ln3+连接成为{Ln2}簇基的SBUs,最终导致两类结构产生差异。磁性研究表明,22具有MCE而24则表现出包括慢磁弛豫与磁滞现象等SMM行为。  4、设计合成了基于2,6-氮氧吡啶二羧酸母体的邻香草醛缩-2,6-氮氧吡啶二甲酰腙配体。利用配体的多位点特征,结合多途径引入阴离子,通过合成条件的优化,成功获得{Ln10}(Ln=Tb(25); Dy(26))、{Ln11}(Ln=Gd(27); Tb(28); Dy(29))与{Gd18}(30)三类稀土多核簇。{Ln10}的骨架由2个共边的{Ln4}四面体单元与2个位于两翼的{Ln2}单元组成,其中2个{Ln4}四面体单元顶点原子通过μ2-Omethanol桥连在一起的结构单元,在以往的文献中未曾报道;{Ln11}为两个六元稀土环通过共用1个Ln3+而组成的双船式金属骨架;而{Gd18}则是通过配体的多种氧原子与OAc-共同桥连Gd3+而成,是迄今为止核数最高、尺寸最大的纯稀土环状簇。在这三类簇合物之中,配体上富含的多种桥连氧原子与多种途径引入的阴离子(O2-、CH3O-、OAc-以及OH-),共同构筑了簇合物新颖的金属骨架与桥连网络。磁性研究表明,{Tb10}(25)、{Dy10}(26)、{Dy11}(28)均表现出SMM行为,而{Gd11}(27)与{Gd18}(30)则具有MCE。  5、在上述三类稀土多核簇合物的基础上,为探讨双酰腙配体端基变化对簇合物结构与磁性的影响,我们进一步以2,6-氮氧吡啶二羧酸为母体,合成了水杨醛缩-2,6-氮氧吡啶二甲酰腙配体(H4sapho)。在较高的金属盐/配体的摩尔比条件与可提供足够热力学温度的合成方法下获得一系列稀土高核簇{Ln24}(Ln=Gd(31),Tb(32),Dy(33),Ho(34),Er(35))。不同于前面三类稀土多核簇合物中的H4ovpho,反应过程中H4sapho上的Ooxynitride原位失去,配体转变成为saph4-。在多个OH-的协助之下,saph4-桥连了多个Ln3+,构筑了{Ln24}新颖的笼状结构。磁性研究表明,{Gd24}(31)与{Dy24}(33)分别表现出MCE与SMM行为。
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