1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷季铵盐诱导合成分子基相变材料及其性质研究

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相变材料是一类具有多种潜在应用和物理特性的重要功能材料。近年来,基于分子的相变材料由于其特殊的结构组分通常会对外界的刺激(温度、光和电场)产生响应,发生结构相变,并伴随着电、热、光等物理效应,使得此类相变材料广泛应用于大容量电容器,光开关和光信息存储等装置中。其中,基于外界温度触发的结构变化可以导致晶体发生结构相变,因此引入可随温度变化而改变的结构基元成为了构筑新型可调控相变材料的新思路。本文通过化学修饰高对称性1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷(Dabco)合成了三种基于Dabco的季铵盐,并以此为基本构筑单元得到了一系列新颖的相变化合物,通过相变温度、结构变化及介电性能的研究对其进行了分析。1.基于[C6H12N2-CH2CH3]+·Br配体,与过渡金属离子Cu2+通过溶液法分别在去离子水和氘水的条件下自组装得到了两种金属-有机配位相变化合物[Cu(C6H12N2-CH2CH3)(H2O)Br3](1)和[Cu(C6H12N2-CH2CH3)(D2O)Br3](2),配体与过渡金属离子Co2+在去离子水的环境下自组装得到了离子配位相变化合物[C6H13N2-CH2CH3][Co Br4](3),除此之外无机酸根离子Cl O4-与配体通过室温缓慢挥发得到分子离子基相变化合物[C6H13N2-CH2CH3][2Cl O4](4)。介电性能测试和DSC检测数据表明,四个化合物均经历了可逆相变,单晶X射线衍射数据检测到1,2和3都是从室温相Pnma空间群转变为低温相P21/c空间群。对比1和2,氘代前后化合物的相变温度基本类似,对于化合物1的TC=166.9 K,化合物2的TC=167.3 K,氘代化合物的研究排除了同位素效应对化合物1的相变温度的影响,表明导致该相变的更主要的原因是阳离子环的扭曲以及有序-无序的结构变化。另外,调节溶液PH呈酸性后得到的配合物3的配位方式与1相比发生了明显变化,3与1结构中不同的是Cu原子直接与[C6H12N2-CH2CH3]+·Br配体中的N配位了,而Co没有,这为寻找更多的相变材料提供了基础。化合物3经历了可逆相变,相变温度TC=276.8 K,同时表现出了明显的介电响应,是潜在的介电材料。最后,直接选用高氯酸与配体在去离子水条件下通过室温缓慢挥发自组装得到有机分子离子基相变化合物4,DSC测试结果表明化合物4为二重相变化合物,相变温度分别是147.2 K和210.3 K。晶胞中分子离子的位置移动导致化合物4相变的发生,同时由介电性能测试结果可知化合物4在中间温度相表现出明显的介电响应,是潜在的介电材料。2.基于[C6H12N2-(CH23CH3]+·Br配体,分别与Co Br2,Co I2的卤素Co盐通过溶液法自组装合成金属-有机配位化合物Co[C6H12N2-(CH23CH3]Br3(5)和Co[C6H12N2-(CH23CH3]I3(6)。X射线单晶衍射数据检测到5和6都是从室温相Pca21空间群转变为低温相P21空间群。通过DSC进一步确定了两个化合物的相变温度,化合物5的相变温度TC=217.6 K,化合物6的相变温度TC=249.6 K,5和6结构组分中所含的卤素原子不同,可能是造成相变温度不同的原因。根据化合物室温和低温下的结构可知,5的阳离子环发生了扭曲,其末端的正丁基发生了有序无序变化,而6只是阳离子环发生了扭曲,这可能是其对温度响应不敏感所致。同时化合物5在相变温度附近有介电响应,而化合物6并未发现介电响应,具体机制还有待进一步研究。3.基于[(CH32CH-C6H12N2-CH(CH32]2+·2Br-配体,分别与Co Br2,Co I2的卤素Co盐通过溶液法自组装合成离子配位相变化合物[(CH3)2CH-C6H12N2-CH(CH3)2][Co Br4](7)和[(CH32CH-C6H12N2-CH(CH32][Co I4](8)。通过X射线单晶衍射数据确定7和8都是从室温相P42/m空间群转变为低温相P42空间群,通过DSC进一步确定了两个化合物的相变温度,化合物7的相变温度TC=230.3 K,化合物8的相变温度TC=220.1 K,7和8属于同系化合物。分子内与Co原子配位的卤素原子的无序及配体分子中的Dabco环发生的扭曲是引发化合物结构相变的主要原因,化合物7在相变温度附近出现了可逆介电异样。
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