除此之外,相对于传统阴离子(如 BF4、SbF6等),弱配位阴离子(如BAr4(Ar= 35-二三甲基基)、AOC(CF3)3)等)能更好地定自由基阳离子。前者体积较小与阳离子结合作用强,而后者的负电荷分散程度大,削弱了阴阳离子的相互作用,改善了配位环境,其次降低了生成物的晶格能从而降低了反应熔,同时弱配位阴离子化合物还具有溶解度大易于结晶的特点。
我们课题组在近些年利用弱配位阴离子成功得到了一系列结构和性质新颖的氮族元素自由基。例如稳定 Trip;Sb自由基阳离子的研究中,当阴离子为 PF6时,循环伏安测试显示不可逆的氧化还原峰:而当为 BAr4或 Al(OC(CF3)3)4时自由基阳离子可以在溶液中稳定存在,最终得到 Trip;Sb”BAr的晶体结构。
分类自由基的分类有着多种依据。从前文也可以看出,根据稳定性,可分为瞬态自由基、持久自由基和稳定自由基;根据所带电荷,可分为中性自由基、阳离子自由基和阴离子自由基;根据未成对电子数目,可分为仅含一个未成对电子的单自由基、含有两个未成对电子的双自由基和含有多个未成对电子的多自由基(包括自由基聚合物)。
双自由基和多自由基中,自旋中心和自旋中心间存在偶极-偶极相互作用,这种电子交换作用J是重点研究对象171。对于双自由基来说,自旋状态可以分为单线态和三线态,能量较低的状态为基态,两者的能量差即为单三线态能量差。
基态为单线态时,如果能量差较小,可激发为三线态。交换作用J的大小很大程度取决于自旋中心间的距离 r。当双自由基或多自由基的自旋中心距离很远时,就不再有交换作用,它们就变为含有两个或多个孤立自旋中心的自由基。这时的双自由基被称为 Biradicall17a,这样的自由基在本论文中不作详细讨论。
以双自由基为例,如图所示,当分别处于两个非键分子轨道(NBMO)上的电子自旋平行时,交换作用 J>0,基态为三线态(Triplet,T); 反之当电子自旋相反时,J<0,基态为开壳层单线态(Open-Shell Singlet,OS)。
电子顺磁共振(EPR)的方法可以判断自旋中心间是否存在相互作用并确定自由基的基态[17a。单线态双自由基没有 EPR 信号,因为自旋量子数为零,没有塞曼(Zeeman)效应。三线态双自由基在自身偶极作用产生的磁场下发生能级裂分,称为零场分裂(zfs)。由于零场分裂的存在,对应于自旋量子数 ms= -10. I 的能级并不简并。
当施加一定的外界磁场 H,能级分,产生-个不同的塞曼能级aa(ms= 1),a(m,= 0),BB(m=-1)。在适当频率的电磁波照射下,就可激发两个塞曼能级之间的跃迁,对应于A ms=ms=2的吸收信号。典型的三线态双自由基的固体电子顺磁共振(EPR)信号如图 所示17a。