CN102690296B - 5-甲基-1h-四氮唑钴(ii)配合物磁性材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物磁性材料及其制备方法和应用。本发明所述的配合物磁性材料的化学式为[Co2(H2O)(mtz)(btc)],其中mtz是5-甲基四氮唑负一价阴离子,btc是1,2,3-苯三酸的-3价阴离子。配合物磁性材料采用水热方法制备,产率较高,重现性好。该配合物磁性材料是同时含有5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体的钴(II)配合物,在低温时呈现明显的自发磁化行为,可以作为分子基磁性材料在材料科学领域具有巨大的应用价值。
Description
本专利申请得到天津市自然科学基金(资助号:10JCZDJC21600和10JCYBJC04800)和国家自然科学基金(资助号:20973125, 21171129 和 21173157)的资助。
技术领域
本发明涉及金属-有机配位聚合物及其分子基磁性材料技术领域,特别是含有5-甲基-1H-四氮唑配体的钴磁性材料的制备方法及其应用,所述化合物是同时含有5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体的钴(II)配合物,其磁学性质使其可以作为分子基磁性材料在材料科学领域得到应用。
背景技术
近年来,设计和合成具有高维有序空间结构和优良理化性能的分子基功能材料已经引起了人们极大的兴趣 (游效曾,分子材料-光电功能化合物,上海科学技术出版社,2001;朱道本,功能材料化学进展,化学工业出版社,2005;Larsson, K. Molecule-Based
Materials: The Structural Network Approach, Elsevier B. V.;Amsterdam, 2005)。与传统的无机材料相比,当一个或多个有机桥联配体和具有不同电子结构的顺磁过渡金属离子自组装形成晶态固体材料时,金属离子的排列方式以及有机桥联配体的配位模式对组装体的结构和性能有着重要的作用。作为分子基功能材料的一个分支,分子基磁体的设计和研究涉及化学、物理、材料和生命科学等诸多交叉学科,其主要任务之一是研究分子体系中由桥联配体所连接的自旋载体之间的磁相互作用及其机理,揭示分子宏观的磁学性能与微观结构之间的内在关系,筛选和发现新的磁性功能材料 (J. S. Miller, M.
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四唑配体是常见的含氮原子的刚性五元杂环,其唑环上的给体N原子所含有的孤对电子为其与过渡金属离子配位形成金属配合物提供了可能,而且其丰富的氮原子可使其表现出多种潜在的配位模式。它们结构上的特殊性使得这些含四唑类配体的配合物具备了潜在的独特性质,在吸附、催化、磁性、非线性光学、发光等诸多材料领域和医药领域都具有潜在的应用价值(Y.-L. Yao, L. Xue, Y.-X.
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然而,迄今为止,以5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸为混合配体的过渡金属磁性配合物的研究还很有限。相关研究有望为新型的分子基磁性材料的开发和应用开辟新的道路。
发明内容
本发明目的在于提供一个同时含有5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物磁性材料以及该材料制备方法及其应用。这个配合物是含有混合的5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸配体的二维钴(II)配合物,在低温时显示自旋倾斜的反铁磁行为。
为实现上述目的,本发明提供如下的技术内容:
具有下述化学通式的5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物:[Co2(H2O)(mtz)(btc)],其中mtz是5-甲基四氮唑负一价阴离子,btc 是1,2,3-苯三酸的-3价阴离子,其分子式如下:
本发明所述的混合配体钴(II)配合物的制备方法,其特征在于将5-甲基-1H-四氮唑、1,2,3-苯三酸和六水合硝酸钴在二次蒸馏水中经由水热反应得到红色块状晶体,其中5-甲基-1H-四氮唑、1,2,3-苯三酸和六水合硝酸钴的摩尔比为1:1:1 ~ 1.5;二次蒸馏水的体积为10.0 mL;控制的pH值范围为3 ~ 4;170 ~ 185 oC下保温4天后降到室温,然后洗涤,干燥;得到红色块状晶体。
本发明所述的水热反应是指在内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,以二次蒸馏水为反应介质,通过控温烘箱加热(加热范围:100 ~ 200 oC)使容器内部产生自生压强(1 ~ 100 Mpa),使得在通常情况下难溶或不溶的物质溶解并结晶析出。
本发明所述的混合配体钴(II)配合物,其特征在于该固态配合物结晶于单斜晶系C2/c空间群,晶胞参数为a = 22.975(3) Å, b =
10.1639(12) Å, c = 12.9843(16) Å, b = 103.548(2)o, V
= 2947.6(6) Å3, Z = 8;其结构见图1。
该配合物的不对称结构单元中含有两个+2价的钴(II)离子,一个配位水分子,一个5-甲基四氮唑负一价阴离子和一个-3价的1,2,3-苯三酸阴离子。1,2,3-苯三酸的三个连续的羧基连接两个晶体学不对称的Co(II)离子形成无限的一维宽带(图1)。相邻的金属羧基一维宽带进一步通过四齿的5-甲基四氮唑配体拓展形成二维平面(见图1b)。
该配合物的主要红外吸收峰为3411 cm-1, 1634
cm-1, 1612 cm-1,1495 cm-1, 1451 cm-1,
1384 cm-1, 1296 cm-1, 1178 cm-1, 1064 cm-1,
935 cm-1, 713 cm-1,456 cm-1(见图2);配合物的二维骨架在343至482 oC之间分解(见图3)。
该配合物具有可靠的相纯度(图4),在不同的外加磁场下表现出明显的场依赖效应。且在温度低于2.7 K时,该配合物中二价钴离子由于自旋倾斜的反铁磁相互作用而产生具有铁磁特征的自发磁化态(图5)。该配合物材料在不同外加磁场显示的这种磁响应能力使其可以作为磁性传感器使用,有望在低密度计算机硬盘等信息存贮材料上得以应用。
本发明进一步公开了5-甲基-1H四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物在制备作为分子基磁性材料方面的应用。特别是作为磁性传感器、低密度计算机硬盘信息存储材料方面的应用。
本发明制备的含有5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物的显著特点在于:
(1) 本发明是一个含有5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体的二维钴(II)金属配合物。
(2) 本发明中的磁性材料采用水热方法制备,产率较高,重现性好,具有较高的热稳定性,低温时,该配合物表现出自旋倾斜的反铁磁行为,可以作为磁性传感器,有望在低密度计算机硬盘等信息存贮材料上得以应用。
附图说明
图1 配合物[Co2(H2O)(mtz)(btc)]的晶体结构图(图1a-b);
图2 配合物[Co2(H2O)(mtz)(btc)]的红外光谱图;
图3 配合物[Co2(H2O)(mtz)(btc)]的热重分析图;
图4 配合物[Co2(H2O)(mtz)(btc)]的粉末衍射图;
图5 配合物[Co2(H2O)(mtz)(btc)]的磁性图(图5a-b)。
具体实施方式
为了简单和清楚的目的,下文恰当的省略了公知技术的描述,以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。以下结合较佳实施例,对本发明做进一步的描述,特别加以说明的是,制备本发明化合物的起始物质5-甲基-1H-四氮唑、1,2,3-苯三酸和六水合硝酸钴均可以从市场上买到。
水热反应是指:在内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,以二次蒸馏水为反应介质,通过控温烘箱加热(加热范围:100 ~ 200 oC)使容器内部产生自生压强(1 ~ 100 Mpa),使得在通常情况下难溶或不溶的物质溶解并结晶析出下面的实施例1-4均采用此方法,特加以说明。
实施例
1
5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物A的合成:
将5-甲基-1H-四氮唑(0.2毫摩尔,16.8毫克)、1,2,3-苯三酸(0.2毫摩尔,42.0毫克)以及六水合硝酸钴(0.2毫摩尔,58.2毫克)溶解在二次蒸馏水(10.0 mL)中,用三乙胺调节pH为3,搅拌数分钟后封入水热釜中。在170 oC下保温4天后,程序降温至室温后得到红色块状单晶体,然后用乙醇洗涤,空气中干燥。见图1的晶体结构图。
实施例
2
5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物B的合成:
将5-甲基-1H-四氮唑(0.2毫摩尔,16.8毫克)、1,2,3-苯三酸(0.2毫摩尔,42.0毫克)以及六水合硝酸钴 (0.3毫摩尔,87.2毫克)溶解在二次蒸馏水(10.0 mL)中,用三乙胺调节pH为3,搅拌数分钟后封入水热釜中。在180 oC下保温4天后,程序降温至室温后得到红色块状单晶体,然后用乙醇洗涤,干燥。见图1的晶体结构图。
实施例
3
5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物C的合成:
将5-甲基-1H-四氮唑(0.2毫摩尔,16.8毫克)、1,2,3-苯三酸(0.2毫摩尔,42.0毫克)以及六水合硝酸钴 (0.2毫摩尔,58.2毫克)溶解在二次蒸馏水(10.0 mL)中,用三乙胺调节pH为3,搅拌数分钟后封入水热釜中。在185 oC下保温4天后,程序降温至室温后得到红色块状单晶体,然后用乙醇洗涤,干燥。见图1的晶体结构图。
实施例
4
5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物D的合成:
将5-甲基-1H-四氮唑(0.2毫摩尔,16.8毫克)、1,2,3-苯三酸(0.2毫摩尔,42.0毫克)以及六水合硝酸钴 (0.3毫摩尔,87.2毫克)溶解在二次蒸馏水(10.0 mL)中,用三乙胺调节pH为4,搅拌数分钟后封入水热釜中。在185 oC下保温4天后,程序降温至室温后得到红色块状单晶体,然后用乙醇洗涤,干燥。见图1的晶体结构图。
本发明制备的(实施例1-4,A-D)配合物磁性材料的结构表征如下:
本发明制备的(实施例1—4)的混合配体钴(II)配合物的结构表征如下:
(1) 晶体结构测定(图1)
在显微镜下选取尺寸合适大小的单晶,低温173 K下在Bruker APEX-II QUAZAR衍射仪上,用经石墨单色化的Mo-Kα射线(λ = 0.71073 Å),以j-ω方式收集衍射数据。所有衍射数据通过SADABS软件用multi-scan方法进行半经验吸收校正。晶胞参数用最小二乘法确定。数据还原和结构解析分别使用SAINT和SHELXL程序包完成。所有非氢原子用全矩阵最小二乘法进行各向异性精修。结构见图1。晶体学衍射点数据收集和结构精修的部分参数见表1。
表1. 5-甲基-1H-四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物
的主要晶体学数据与精修参数
(2) 红外光谱测定 (图2)
红外光谱采用溴化钾压片法在Nicolet FT–IR–200的红外光谱仪上测定。
(3) 热重分析测定 (图3)
热重分析实验是在Shimadzu simultaneous DTG–60A的热重分析仪上完成,在氮气保护下以5 oC/min的速率从室温加热到900 oC测定。结果显示配合物磁性材料中的水分子在343 oC之前缓慢失去,之后配合物的二维骨架开始分解,482 oC之后剩余的残渣为氧化钴。
(4) 粉末衍射表征相纯度 (图4)
粉末衍射数据收集在 Bruker D8 ADVANCE衍射仪上测定。仪器操作电压为40 kV,电流为40 mA。使用石墨单色化的Cu靶X射线。发散狭缝宽度为0.6 mm,防散射狭缝宽度为3 mm,Soller狭缝为4 o;数据收集使用2q/q扫描模式,在5 o到50 o范围内连续扫描完成,扫描速度为0.1 o/秒,步长为0.01 o。单晶结构粉末衍射谱图模拟转化使用Mercury 1.4.1软件包。
实施例
5
本发明制备的(实施例1-4,A-D)配合物磁性材料的磁学性能研究如下:
晶态配合物的磁学性能测试使用美国量子公司生产的MPMS-XL-7超导量子干涉仪磁强计完成,其中2 ~ 300 K范围内的变温磁化率在外加2 kOe直流磁场下测定。2 K时的配合物的磁化强度在外加直流场0 ~ 70 kOe下测定。2 K时的磁滞曲线在 -70 ~ 70 kOe的磁场内测定。所有磁性数据均使用帕斯卡常数进行抗磁校正,实验所用的样品管及样品薄膜等背景数据已被扣除。
磁性测量结果表明:在2 kOe的外加磁场下,该配合物材料的摩尔磁化率与温度的乘积随温度的降低而不断减小。在4.0 K时,摩尔磁化率与温度的乘积达到最小值0.89 cm3 K mol– 1。进一步降温后,摩尔磁化率与温度的乘积反而增加,且摩尔磁化率与温度的乘积随温度变化的情况与外加磁场的大小紧密相关(图5a)。该配合物材料所表现的这种磁学行为属于自旋倾斜的反铁磁行为,磁相转变可以通过场冷(FC)和零场冷(ZFC)曲线不重合以及配合物的低温交流磁化率中实部与虚部同时出现峰值所证明。该配合物材料在2.0 K时的磁矫顽力为148 Oe,剩余磁距为0.068N β(图5b)表明该配合物为硬磁体。因此,此配合物材料可以记录不同磁场的磁信号,可以作为磁性传感器使用,有望在低密度计算机硬盘等信息存储材料上得以应用。
Claims (4)
1.具有下述化学通式的5-甲基-1H四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物晶体:
[Co2(H2O)(mtz)(btc)];
其中:mtz是5-甲基四氮唑负一价阴离子,btc是1,2,3-苯三酸的-3价阴离子,其结构式如下:
;
该固态配合物结晶于单斜晶系C2/c空间群,晶胞参数为a = 22.975(3) Å, b = 10.1639(12) Å, c = 12.9843(16) Å, β = 103.548(2)o, V
= 2947.6(6) Å3, Z = 8。
2.一种权利要求1所述混合配体钴(II)配合物晶体的制备方法,其特征在于:将5-甲基-1H-四氮唑、1,2,3-苯三酸和六水合硝酸钴在二次蒸馏水中经由水热反应得到红色块状晶体,其中5-甲基-1H-四氮唑:1,2,3-苯三酸:六水合硝酸钴的摩尔比为1:1:1 ~ 1.5;二次蒸馏水的体积为10.0 mL;控制的pH值范围为3 ~ 4;170 ~ 185 oC下保温4天后降到室温,然后洗涤,干燥;得到红色块状晶体。
3.权利要求2所述的制备方法,其中所述的水热反应指的是在内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,以二次蒸馏水为反应介质,通过控温烘箱加热170 ~ 185 oC使容器内部产生自生1- 100 Mpa压强,使得在通常情况下难溶或不溶的物质溶解并结晶析出。
4.权利要求1所述5-甲基-1H四氮唑和1,2,3-苯三酸混合配体钴(II)配合物晶体在制备作为分子基磁性材料方面的应用。
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