A series of two-coordinate complexes of iron(II) were prepared and studied for single-molecule magnet behavior. Five of the compounds, Fe[N(SiMe3)(Dipp)]2 (1), Fe[C(SiMe3)3]2 (2), Fe[N(H)Ar′]2 (3), Fe[N(H)Ar*]2 (4), and Fe(OAr′)2 (5) feature a linear geometry at the FeII center, while the sixth compound, Fe[N(H)Ar#]2 (6), is bent with an N–Fe–N angle of 140.9(2)° (Dipp = C6H3-2,6-Pri2; Ar′ = C6H3-2,6-(C6H3-2,6-Pri2)2; Ar* = C6H3-2,6-(C6H2-2,4,6-Pri2)2; Ar# = C6H3-2,6-(C6H2-2,4,6-Me3)2). Ac magnetic susceptibility data for all compounds revealed slow magnetic relaxation under an applied dc field, with the magnetic relaxation times following a general trend of 1 > 2 > 3 > 4 > 5 ≫ 6. Arrhenius plots created for the linear complexes were fit by employing a sum of tunneling, direct, Raman, and Orbach relaxation processes, resulting in spin reversal barriers of Ueff = 181, 146, 109, 104, and 43 cm−1 for 1–5, respectively. CASSCF/NEVPT2 calculations on the crystal structures were performed to explore the influence of deviations from rigorous D∞h geometry on the d-orbital splittings and the electronic state energies. Asymmetry in the ligand fields quenches the orbital angular momentum of 1–6, but ultimately spin–orbit coupling is strong enough to compensate and regenerate the orbital moment. The lack of simple Arrhenius behavior in 1–5 can be attributed to a combination of the asymmetric ligand field and the influence of vibronic coupling, with the latter possibility being suggested by thermal ellipsoid models to the diffraction data.

Abstract Single-molecule magnets display magnetic bistability of molecular origin, which may one day be exploited in magnetic data storage devices. Recently it was realised that increasing the magnetic moment of polynuclear molecules does not automatically lead to a substantial increase in magnetic bistability. Attention has thus increasingly focussed on ions with large magnetic anisotropies, especially lanthanides. In spite of large effective energy barriers towards relaxation of the magnetic moment, this has so far not led to a big increase in magnetic bistability. Here we present a comprehensive study of a mononuclear, tetrahedrally coordinated cobalt(II) single-molecule magnet, which has a very high effective energy barrier and displays pronounced magnetic bistability. The combined experimental-theoretical approach enables an in-depth understanding of the origin of these favourable properties, which are shown to arise from a strong ligand field in combination with axial distortion. Our findings allow formulation of clear design principles for improved materials.

Orbital angular momentum is a prerequisite for magnetic anisotropy, although in transition metal complexes it is typically quenched by the ligand field. By reducing the basicity of the carbon donor atoms in a pair of alkyl ligands, we synthesized a cobalt(II) dialkyl complex, Co(C(SiMe2ONaph)3)2 (where Me is methyl and Naph is a naphthyl group), wherein the ligand field is sufficiently weak that interelectron repulsion and spin-orbit coupling play a dominant role in determining the electronic ground state. Assignment of a non-Aufbau (d x2-y2 , d xy )3(d xz , d yz )3(d z2 )1 electron configuration is supported by dc magnetic susceptibility data, experimental charge density maps, and ab initio calculations. Variable-field far-infrared spectroscopy and ac magnetic susceptibility measurements further reveal slow magnetic relaxation via a 450-wave number magnetic excited state.

The electronic structure and magnetic anisotropy of six complexes of high-spin FeII with linear FeX2 (X = C, N, O) cores, Fe[N(SiMe3)(Dipp)]2 (1), Fe[C(SiMe3)3]2 (2), Fe[N(H)Ar′]2 (3), Fe[N(H)Ar*]2 (4), Fe[O(Ar′)]2 (5), and Fe[N(t-Bu)2]2 (7) [Dipp = C6H3-2,6-Pri2; Ar′ = C6H3-2,6-(C6H3-2,6-Pri2)2; Ar* = C6H3-2,6-(C6H2-2,4,6-Pri2)2; Ar# = C6H3-2,6-(C6H2-2,4,6-Me3)2], and one bent (FeN2) complex, Fe[N(H)Ar#]2 (6), have been studied theoretically using complete active space self-consistent field (CASSCF) wavefunctions in conjunction with N-Electron Valence Perturbation Theory (NEVPT2) and quasidegenerate perturbation theory (QDPT) for the treatment of magnetic field and spin-dependent relativistic effects. Mössbauer studies on compound 2 indicate an internal magnetic field of unprecedented magnitude (151.7 T) at the FeII nucleus. This has been interpreted as arising from first order angular momentum of the 5Δ ground state of FeII center (J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 10206). Using geometries from X-ray structural data, ligand field parameters for the Fe-ligand bonds were extracted using a 1 : 1 mapping of the angular overlap model onto multireference wavefunctions. The results demonstrate that the metal–ligand bonding in these complexes is characterized by: (i) strong 3dz2–4s mixing (in all complexes), (ii) π-bonding anisotropy involving the strong π-donor amide ligands (in 1, 3–4, 6, and 7) and (iii) orbital mixings of the σ–π type for Fe–O bonds (misdirected valence in 5). The interplay of all three effects leads to an appreciable symmetry lowering and splitting of the 5Δ (3dxy, 3dx2−y2) ground state. The strengths of the effects increase in the order 1 < 5 < 7 ∼ 6. However, the differential bonding effects are largely overruled by first-order spin–orbit coupling, which leads to a nearly non-reduced orbital contribution of L = 1 to yield a net magnetic moment of about 6 μB. This unique spin–orbital driven magnetism is significantly modulated by geometric distortion effects: static distortions for the bent complex 6 and dynamic vibronic coupling effects of the Renner–Teller type of increasing strength for the series 1–5.Ab initio calculations based on geometries from X-ray data for 1 and 2 reproduce the magnetic data exceptionally well. Magnetic sublevels and wavefunctions were calculated employing a dynamic Renner–Teller vibronic coupling model with vibronic coupling parameters adjusted from the ab initio results on a small Fe(CH3)2 truncated model complex. The model reproduces the observed reduction of the orbital moments and quantitatively reproduces the magnetic susceptibility data of 3–5 after introduction of the vibronic coupling strength (f) as a single adjustable parameter. Its value varies in a narrow range (f = 0.142 ± 0.015) across the series. The results indicate that the systems are near the borderline of the transition from a static to a dynamic Renner–Teller effect. Renner–Teller vibronic activity is used to explain the large reduction of the spin-reversal barrier Ueff along the series from 1 to 5. Based upon the theoretical analysis, guidelines for generating new single-molecule magnets with enhanced magnetic anisotropies and longer relaxation times are formulated.