通过使用对映纯的N3钳状配体,同时调控单核DyIII配合物的磁性质和非线性光学过程

《Journal of Molecular Structure》:Simultaneously switching both the magnetic behavior and nonlinear optical process in mononuclear DyIII complexes via the coordination role of enantiopure N 3-pincers

【字体: 时间:2026年02月16日 来源:Journal of Molecular Structure 4.7

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  本研究通过引入手性N3夹钳(R-L/S-L)取代Dy(tta)3(H2O)2中的两个水分子,合成了对映体R-Dy/S-Dy。磁性和非线性光学性质研究表明,八配位的Dy(tta)3(H2O)2具有零场单离子磁体特性,而九配位的R-Dy/S-Dy不具备该特性。理论计算表明,轴向对称性和横向磁矩差异导致不同磁性表现。同时,非中心对称的Dy(tta)3(H2O)2仅显示THG效应,而手性R-Dy/S-Dy则仅显示SHG效应,证实了手性结构对NLO过程的调控作用。

  
杜晓迪|李春阳|高从利|姚洁梅|刘彩明|张一泉|李希丽
周口师范学院化学与化学工程学院,中国周口466001

摘要

利用对映纯的N3钳(R-L/S-L)分别替换Dy(tta)3(H2O)2中的两个H2O分子,得到了两组手性的DyIII对映体,其组成为[Dy(tta)3(R-L)]·CH3CN/[Dy(tta)3(S-L)]·CH3CN(R-Dy/S-Dy),其中tta? = 4,4,4-三氟-1-(2-噻诺酰)-1,3-丁二酸酯,R-L/S-L = (?)/(+)-2,6-双(4′,5′-蒎烯-2′-吡啶)。磁性和非线性光学(NLO)性质的研究表明,八配位的Dy(tta)3(H2O)2表现出零场单离子磁体(SIM)行为,有效能量障碍达到139.28 K,而九配位的则没有这种行为,这一现象通过理论计算得到了进一步解释。此外,中心对称的Dy(tta)3(H2O)2仅显示三次谐波生成(THG)效应,而同手性的< />/S-Dy仅显示二次谐波生成(SHG)效应。这些有趣的发现表明,将R-L/S-L引入Dy(tta)3(H2O)2不仅可以改变零场SIM行为,还可以使NLO过程在THG和SHG之间切换。

引言

单分子/离子磁体(SMMs/SIMs)由于其在量子计算、高密度数据存储和自旋电子器件等高科技领域的潜在应用而受到持续关注[[1], [2], [3]]。众所周知,镧系离子(LnIII),特别是Kramers离子DyIII,是构建高性能SMMs/SIMs的理想自旋载体,这归因于它们较大的磁矩和强的磁各向异性[[4], [5], [6], [7]]。在已报道的LnIII-SMMs中,单核DyIII物种尤为突出[[8], [9]]。使用取代的环戊二烯基衍生物作为配体的DyIII-SIMs表现出卓越的SIM性能,包括一些迄今为止最高的有效能量障碍(Ueff/K)和滞后温度[[10], [11], [12], [13], [14]]。然而,这类DyIII-SIMs不仅制备条件苛刻(需要严格排除H2O和O2),而且对空气极为敏感,限制了它们的实际应用。因此,寻找空气稳定且性能良好的DyIII-SIMs对于实际应用更具潜力[[15], [16]]。
非线性光学(NLO)晶体因其在光学数据存储、量子信息处理、激光引导、光刻和光限制等尖端设备中的核心作用而受到越来越多的关注[[17], [18], [19], [20], [21]]。研究最深入且最重要的NLO过程是二次谐波生成(SHG)和三次谐波生成(THG)。对于SHG活性晶体材料,需要非中心对称(NCS)的分子结构,而对于THG活性晶体,则允许任意的空间群。尽管无机化合物占已报道的NLO晶体材料的绝大多数[[22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]],但在无机NLO材料中调节THG和SHG响应仍然很困难。相比之下,通过设计具有不同结构特征的有机配体,NLO活性配合物在调节和切换THG和SHG性能方面具有明显优势。例如,含有不同结构对称性和分子极性的手性DyIII配合物显示出不同的SHG和THG效应[31];含有不同结构对称性的对映纯N-供体的手性YbIII配合物在SHG强度上也表现出显著差异[32];涉及不同结构对称性和π电子共轭程度的二维手性Ag(I)配合物不仅表现出不同的SHG和THG响应,其THG强度也存在较大差异[33]。这些发现表明,具有对称分子结构的有机配体有利于在配合物中观察到THG效应,而不对称的配体则有利于配合物显示SHG响应[[34], [35]]。
与许多已知具有发光和磁性质的LnIII配合物[4,[36], [37]]相比,显示出NLO效应(尤其是THG响应)的文献记载相对较少[[38], [39], [40], [41], [42], [43]]。这可能有两个主要原因:i) LnIII离子的高配位数使得控制其NCS分子结构变得困难;ii) 光学介质的三阶NLO性质通常通过Z-scan技术在非常稀薄的溶液中测试,这限制了对不溶性LnIII配合物的研究。为了开发更多NLO活性的LnIII配合物,提出了相应的策略:i) 利用手性有机配体螯合LnIII离子是获得具有NCS结构的LnIII配合物以诱导SHG效应的最可靠方法;ii) 使用晶体样品测量THG响应是非常需要的,也有利于开发THG活性的LnIII配合物。特别是,设计和构建具有可调性和可切换性能的LnIII配合物被认为非常吸引人且具有挑战性。
基于上述研究背景,我们旨在同时实现DyIII配合物的零场SIM行为和THG/SHG响应的切换。为此,制备了单核八配位的Dy(tta)3(H2O)2和对映纯的N3钳(R-L/S-L),并将其作为反应物生成手性的单核九配位DyIII对映体对[Dy(tta)3(R-L)]·CH3CN/[Dy(tta)3(S-L)]·CH3CN(R-Dy/S-Dy),其中tta? = 4,4,4-三氟-1-(2-噻诺酰)-1,3-丁二酸酯具有不对称结构(方案1a),R-L/S-L = (?)/(+)-2,6-双(4?,5?-蒎烯-2?-吡啶)(方案1b)。设计思路基于以下考虑:i) 八配位的< />3(H2O)2和九配位的< />/S-Dy应具有不同的磁行为,因为配体场对DyIII配体的磁性质有显著影响[45];ii> 中心对称的< />3(H2O)2和具有NCS结构的手性< />/S-Dy可能表现出不同的NLO效应。随后,对< />3(H2O)2和< />/S-Dy的磁性和NLO性质进行了研究,并通过相关理论计算进一步阐明了结果。

材料与物理测量

所有化学原料和溶剂均为分析级,并从供应商处获得。Dy(tta)3(H2O)2按照文献方法[46]制备,R-L和S-L按照先前报道的协议[47]合成。CHN的元素分析在Perkin-Elmer 2400 Serials II元素分析仪上进行。采用KBr盘,在TENSOR 27分光光度计上进行FT-IR光谱(4000–400 cm?1)测量。基于压制的KCl颗粒,制备了固态圆二色(CD)

合成

Dy(tta)3(H2O)2R-DyS-Dy的所有合成均在室温下进行,并且在室温下通过溶剂蒸发法获得了适合X射线衍射的空气稳定单晶:Dy(tta)3(H22使用C2H5OH,R-DyS-Dy使用CH3COCH3/CH3CN。尽管前体Dy(tta)3(H22广泛用于制备具有SIM/SMM特性的单核和多核DyIII配合物[[50], [51], [52], [53]],但其晶体

结论

将对映纯的N3钳引入Dy(tta)3(H22以替换两个配位的H2O分子,形成了手性的DyIII对映体对。磁测量显示,单核八配位的Dy(tta)3(H22是零场SIM,但单核九配位的DyIII对映体对没有表现出任何零场SIM特性。理论计算表明,不同的轴向对称性和横向磁矩导致它们不同的磁行为。

CRediT作者贡献声明

杜晓迪:方法学、研究和写作——原始草稿及编辑。李春阳:形式分析、研究和资金获取。高从利:数据管理。姚洁梅:数据管理。刘彩明:数据管理及资金获取。张一泉:软件。李希丽:概念化、资金获取、项目管理和写作——审阅及编辑。

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

杜晓迪:写作——原始草稿、方法学、研究。李春阳:研究、资金获取、形式分析。高从利:数据管理。姚洁梅:数据管理。刘彩明:资金获取、数据管理。张一泉:软件。李希丽:写作——审阅及编辑、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金22271289)、河南省自然科学基金252300420266)、河南省高等学校重点科研项目24A150046)和周口师范学院高层次人才科研基金ZKNUC2025063)的支持。
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