低维稀土—过渡金属杂多核配合物的结构和磁性研究

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配位聚合物在磁性、吸附、分离、催化、分子识别方面的潜在应用,尤其是具有高Tc而又保持分子本身特性的分子铁磁体在材料科学领域的潜在应用前景,引起人们对它的广泛兴趣。探索通过配体连接的稀土与过渡金属在不同结构环境中的磁相互作用与结构之间的关系,了解磁交换的机理,为指导分子磁性材料的设计和合成、提高稀土功能材料性质提供理论依据。近来配位聚合物的设计和组装有两种常见的方法:一种方法是单个的有机金属小分子通过氢键联结形成配位聚合物;另一种方法是采用多齿有机配体与金属离子配位构造无限框架结构的配位聚合物。文献已经报道了多种拓扑结构如链状、梯状、网格状、砖墙状、蜂巢状和隧道状等并研究了部分配合物的磁性行为,但对系列配合物磁性行为的研究较少。本论文以α—甲基丙烯酸作为桥联配体,加入(或不加)中性配体邻菲咯啉(phen)合成了13个零维、一维和二维结构的稀土一过渡金属配合物和一个铜配合物,测定了配合物的晶体结构和磁性并进行了分析和讨论。第一章:广泛地调研了与磁性有关配位聚合物研究的历史和现状,论述了本论文选题的目的和意义。第二章:合成了11个无中性配体的稀土—铜、稀土—锌配合物,并测定了它们的晶体结构。具体有:(1)合成了7个以α-甲基丙烯酸根为桥连配体的RE—Cu杂多核配合物。其中配合物{[RECuL4(H2O)4]L}n(RE=La、Nd、Gd)以游离的α-甲基丙烯酸阴离子和位于其两侧的聚配阳离子链[...Cu...RE...Cu...RE...]+中的配位水形成氢键,从而形成了一个二维超分子网络结构。而配合物{[RECu2L7(H2O)·2H2O]4}n(RE=Tb、Dy、Er、Y)均采用7个α-甲基丙烯酸根桥连中心离子,形成[...RE...Cu...Cu...RE...Cu...Cu...RE...]一维链状配合物。这两组配合物结构性的差异体现了稀土的二段分组规律:即根据元素物理性质和化学性质的相似性,Gd与Tb是轻稀土和重稀土的分界点。两组配合物的RE-O平均键长的变化符合镧系离子半径收缩“单向变化”的规律。(2)合成了4个同构的RE—Zn杂多核配合物[(REZn2L74]n(RE=Tb、Dy、Er、Y),配合物以α-甲基丙烯酸根离子桥联而形成的一维zigzag型无穷链状分子。该类配合物与RE—Cu杂多核配合物结构相似,有利于配合物磁性质的讨论。第三章:合成了以α—甲基丙烯酸为阴离子配体,Phen为中性配体的Cu三核配合物[Cu3L2(OH)2(phen)2(H2O)2](NO3)·2H2O和两个RE—Co杂多核配合物[RE2Co2L10(H2O)2(phen)2]·nH2O[RE=La(n=2)、Nd(n=0)]。Cu配合物为全新的结构,是一个呈中心对称的三核CuCuCu分子,对称中心位于中间的Cu(Ⅱ)上,三个Cu(Ⅱ)由α-甲基丙烯酸根和羟基通过Cu2-OH/RCOO-Cu1桥联形成线性结构,整个配合物通过氢键沿a轴连接两个由氢键形成的六圆环形成一维链状结构。[RE2Co2L10(H2O)2(phen)2]·nH2O为离散的四核配合物,Co(Ⅱ)和RE(Ⅲ)离子通过3个α-甲基丙烯酸根离子通过μ-2方式桥连,中心对称的RE(Ⅲ)和RE(Ⅲ)*是通过2个α-甲基丙烯酸根离子桥连,整个配合物通过氢键沿b轴形成了一个二维超分子网络。第四章:杂多核配合物的磁性是及其复杂的,受众多因素影响。另外,由于稀土离子的晶体场分裂和轨道的贡献而使磁性的定量分析非常困难。本文采用了同构(或相似)配合物磁性比较的实验方法来半定量地估计其中RE-M之间磁相互作用的性质。虽然这种方法经验性较强,但是,对于比较复杂的体系还不失为一种简单实用的方法。用这种方法得出:在室温(T=300K)条件下,无论在以RE(Ⅲ)Cu(Ⅱ)为结构单元的2D配合物{[LaCuL4(H2O)4]L}n(RE=La、Ce、Nd、Eu、Gd),还是以RE(Ⅲ)Cu(Ⅱ)Cu(Ⅱ)为结构单元的一维链状配合物{[RECu2L7(H2O)·2H2O]4]}n(RE=Y、Tb、Dy、Er),稀土与铜离子之间没有顺磁性相互作用或者相互作用很弱,配合物的磁性基本上保持各金属离子自身磁性质的特点。因此,虽然羧酸根基团具有共轭性质,但其桥连稀土与过渡金属离子间并不存在电子的传递或流动。同时,实验结果也说明了由于稀土离子的成单电子处在离子的内层4f壳层中,受外层5S2、5P2的电子所屏蔽,受外场(环境)变化的影响较小。论文最后总结了获得的研究结果和本论文的创新点。
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