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具有梯子型磁结构的自旋梯子体系是一类重要的量子自旋体系，由于量子自旋体系与超导研究紧密关联，自旋梯子作为量子自旋体系简单的准一维模型材料，在过去的二十年中受到了格外重视，物理学家们对S=1/2 Heisenberg自旋梯子体系的理论物理进行了深入研究。在理论研究的基础上，自旋梯子的实验物理学在上个世纪90年代中叶取得了重要突破，科学家发现含梯子结构的化合物Sr14Cu24O41在Ca掺杂后于高压下出现了超导态，成功实现了之前对空隙掺杂后的自旋梯子模型的理论预测，这进一步推动了关于自旋梯子体系的理论和实验研究。
由于之前得到的为数不多的梯子型化合物多为无机物，梯子内的耦合作用一般较强，具有较高的能隙值，很多磁性质的研究受实验条件的限制难以开展，特别是这类梯子中梯子间的耦合往往也很强，太强的梯间耦合对体系的基态会产生影响，事实上，很多梯子型材料严格意义上都不属于自旋梯子体系。而包括自旋配合物在内有机材料，可以用合适的分子构筑单元通过超分子设计组装，得到具备特定物理性质的材料，这样，在磁化学领域，设计合成具有真正自旋梯子特性且存在适当耦合作用的有机梯子材料成为许多化学家研究的方向，但迄今为止，有机梯子材料只在包括TTF衍生物，四卤合铜酸盐和二硫杂环戊二烯衍生物等寥寥数类化合物中发现，因此，从某种意义上来说，梯子型自旋结构是可遇而不可求的，很难通过设计合成来实现。
金属有机膦酸化合物作为一类重要的有机—无机杂合材料，其磁性质的研究长期以来受到我们极大的关注。这类化合物可以较为方便的通过对有机膦酸配体中有机基团(有机部分)的修饰来实现微观结构和宏观性质的调控。在本课题组前期的工作中，我们使用一种较简单的偕二膦酸螯合配体—-1-羟基乙叉二膦酸(hedpH4)，在胺类模板剂存在的水热条件下，得到了一系列过渡金属梯子型配合物，其中具有梯子型自旋结构的Mn(Ⅱ)(S=5/2)，Fe(Ⅱ)(S=2)和Co(Ⅱ)(S=3/2)配合物主要显示反铁磁相互作用，在低温下都发现了场诱导的磁相交，这跟自旋梯子的低温磁化现象很相似，对应于准量子自旋行为。在此基础上通过对有机膦酸配体上有机基团的调控，我们成功的设计组装了两类梯子结构，并研究了它们的磁性质。本论文涉及的工作包括设计组装梯子型自旋结构在内的以下三个方面。
一、使用新的 1-羟基-1，1-二膦酸配体 ahbdpH4(4-amino-1-hydroxybutane-1，1-diphosphonic acid)，配体中有机胺链(胺丙基)直接与二膦酸基团相连，相当于一端自带有机胺模板剂。在水热条件下，ahbdpH4直接与过渡金属盐反应得到与hedpH4双链配合物具有相似梯子骨架的配合物M(ahbdpH2)·H2O[M=Mn(1)，Co(2)]。对化合物1的磁化率曲线用S=5/2双核公式进行拟合，得J=—0.42 cm-1(g=2.00)，说明梯子内部的反铁磁耦合很弱。它们在低温下都出现了场诱导的磁相变，化合物1出现了分别为22和38 kOe的两个临界场(Hc)，化合物2的临界场为35 kOe。在较低的pH值下ahbdpH4与硫酸钴反应得到了一对O—P—O桥连的双核钴化合物Co(H2O)(ahbdpH3)2·H2O(3)。
二、使用另一种带吡啶基的偕二膦酸配体，hpyedpH4[1-hydroxy-2-(3-pyridyl)ethylidene-1，1-diphosphonic acid]，其中3-吡啶基与1-羟基-1，1-二膦酸基团之间用一个亚甲基连接，这使得该配体在带有刚性多功能吡啶基团的同时还具备一定的柔性。在水热条件下，hpyedpH4直接与过渡金属盐反应，得到同构的锰和钴的配合物M(H2O)(hpyedpH2)(M=Mn(4)，Co(5)]，它们的梯子结构与以前的偕二膦酸配合物梯子结构完全不同，这使得它们之间磁性质也有了较大的变化。对于化合物4，拟合得到双核单元内的磁交换J=-3.08 cm-1(g=2，06)，分子间作用zj=-1.32 cm-1，梯子内的反铁磁耦合明显增强，可能由于能隙的增大，低温磁化实验在70 kOe的磁场下，化合物4远没达到饱和，也没有明显的临界场出现。化合物5则出现明显的S形磁化曲线，对应的临界场为15kOe。
在较高的pH值下，hpyedpH4与硫酸钴水热反应又得到了二维层状的化合物Co3(H2O)4(hpyedpH)2·2H2O(6)。变温磁化率研究发现化合物6表现出亚铁磁行为，对应于层内存在未抵消的净磁矩。磁化强度研究表明该化合物存在长程铁磁有序，归因于亚铁磁层之间的弱铁磁相互作用，临界温度Tc≈3.8 K。有趣的是，化合物6的交流变温磁化率曲线的峰位置存在频率依赖关系，可能由畴壁移动所引起。HpyedpH4与镧系稀土离子反应则得到了一系列交替链结构的配合物Ln(hpyedpH2)(hpyedpH3)·2H2O[Ln=Gd(7)，Eu(8)，Tb(9)]，考虑到Eu和Tb优异的荧光性能，我们对其中的8和9的荧光性质进行了研究。
三、我们还将一种非手性的不对称桥连配体—膦甲酸(pcH3)引入乙醇胺不同的溶剂热反应体系中，得到了化合物Mn2Na3(OH)(pc)2(10)和MnNa(H2O)5(pc)(11)。化合物10中实现了自发的手性拆分，得到了羧基桥连双核锰的三维手性磁结构，多晶样品的CD光谱显示，化合物10不是外消旋化合物。化合物11中锰离子之间由O—P—O桥连形成二维层状结构，层内包含八元环和十六元环，层与层之间由双核水合钠桥连。