[发明专利]金属富勒烯衍生物及其制法、顺磁特性的调控方法和应用

说明书

本发明公开了金属富勒烯衍生物及其制法、顺磁特性的调控方法和应用。本发明中的金属富勒烯衍生物是经加成反应，在顺磁性金属富勒烯表面修饰偶氮苯氮氧自由基小分子得到的一类金属富勒烯衍生物。将不同光照射金属富勒烯衍生物，通过金属富勒烯和氮氧自由基分子双自旋中心之间相对位置的变化调控金属富勒烯的顺磁特性。提供的金属富勒烯衍生物结构新颖、具有光开关性质且可简便、高效、灵敏调控金属富勒烯的顺磁特性，解决了现有通过降温或者化学修饰方式调控金属富勒烯的顺磁特性存在的灵敏度低、操作复杂、调控方式信号单向变化的技术问题，可用作分子光功能开关，用于全光网络、光交换中。

技术领域

本发明涉及一种分子光功能开关技术领域，特别涉及金属富勒烯衍生物及其制备方法，以及金属富勒烯衍生物顺磁特性的调控方法和金属富勒烯衍生物用作分子光功能开关的应用。

背景技术

金属富勒烯主要分为顺磁性和抗磁性的两种，是以其本身是否具有自旋单电子来进行区分的。将金属或者团簇放入金属富勒烯构成内嵌金属富勒烯，这样内部基团和外面环境分离开，即使是高反应活性的基团也能在内部稳定存在。这使得内嵌金属富勒烯在室温下可稳定存在，有很长的自旋相干一致性时间，在量子计算和通信领域都有广泛的应用。由于内嵌金属富勒烯内部基团被碳笼保护，所以很难操控其结构和磁性，通常运用电子顺磁共振波谱来反映磁性核的性质、自旋的变化和相互耦合的情况。

顺磁金属富勒烯具有广阔的应用前景，可利用电子自旋自由度设计运行速度更高、能量消耗更低、功能多、高集成的下一代微电子器件。对于内嵌金属富勒烯，金属原子或金属团簇的多样性以及富勒烯独特的结构赋予其与众不同的自旋特性，使之成为分子尺度上的自旋探针。比较有代表性的一类顺磁特性的金属富勒烯Gd@C₈₂及其衍生物在生物医学领域有很广泛的应用，是重要的核磁共振造影剂。另外，顺磁金属富勒烯还可以作为一个量子比特单元，在量子计算和量子化学中广泛应用。

可以通过调控笼内团簇动力学的性质去影响金属富勒烯的顺磁特性，现有调控金属富勒烯的顺磁特性的研究主要有改变温度或者碳笼外进行特殊的化学修饰，可在一定程度上改变自旋的分布或者限制自旋弛豫，还可以通过自旋-自旋相互作用去影响自旋信号。例如：Y₂@C₇₉N分子，在室温下，碳笼内的Y₂团簇呈现一个快速的无规则运动，因此分子的电子顺磁波谱信号(ESR)表现出1∶2∶1特征的三条线，当降低温度时，ESR信号出现各向异性，说明Y₂@C₇₉N分子共振态下转动取向不均，限制笼内团簇的转动。总之，变温是通过限制笼内团簇的运动来影响顺磁信号，调控灵敏度低。采用碳笼外对金属富勒烯进行化学修饰，会改变金属富勒烯的对称性，也会影响团簇动力学性质，同样会限制团簇运动，比如在碳笼外面修饰吡咯环基团，不仅导致了分子顺磁性的各向异性，并且引起了未配对电子在内部磁性核上的趋异分布。同理，在Sc₃C₂@C₈₀外面进行化学修饰，三个Sc由原来等同的化学环境变得不同，内嵌团簇运动受到限制，ESR信号出现各向异性。因此，现有采用化学修饰可改变顺磁信号，但是信号变化是单向，不能灵活的对信号进行调控。

发明内容

为了解决现有通过降温或者化学修饰方式调控金属富勒烯的顺磁特性存在的灵敏度低、操作复杂、调控方式信号单向变化的技术问题，本发明提供一种结构新颖且可简便、高效、灵敏调控金属富勒烯顺磁特性的金属富勒烯衍生物及其制备方法，利用偶氮苯光异构化的特点，改变双自旋中心的距离，调控金属富勒烯的顺磁特性。同时提供了一种金属富勒烯衍生物顺磁特性的调控方法和金属富勒烯衍生物用作分子光功能开关的应用。

本发明所提供的金属富勒烯衍生物，其结构式如式(I)所示：

式(I)化合物中，n＝1、2、3；

是指顺磁性金属富勒烯。