Sekundære bygningsenheder (SBU'er) - vendepunktet i udviklingen af ​​metal-organiske rammer (MOF'er)

Der er et presserende behov for at kontrollere materialer på molekylært niveau for at lave "materialer efter behov." En strategi til at udvikle sådanne materialer er under udvikling inden for retikulær kemi, afledt af den latinske oversættelse "reticulum" som "har form af et net." Strategien forbinder diskrete bygningsenheder (molekyler og klynger) via bindinger for at lave store og udvidede krystallinske strukturer. Metal-organiske rammer (MOF'er) er den mest fremtrædende klasse af materialer inden for retikulær kemi. Sådan krystallinsk, udvidede strukturer er konstrueret ved at sy sammen uorganiske polynukleære klynger kendt som sekundære bygningsenheder (SBU'er) og organiske linkere via stærke bindinger.

De sidste to årtier har været vidne til en eksplosiv vækst inden for MOF'er, med mere end 84, 185 MOF-strukturer dokumenteret i Cambridge Crystallographic Data Centre. En samling af artikler om syntesen, struktur og anvendelse af MOF'er bliver fortsat offentliggjort hvert år. SBU-tilgangen har avanceret MOF-kemi som den væsentligste bidragyder til den hurtige udvikling, der er observeret på området. Mange MOF-synteser, undersøgelser og ansøgninger er afledt af SBU-tilgangen. Nu gennemgår feltet MOF kemi for Videnskabens fremskridt , Markus Kalmutzki, Nikita Hankel og Omar M. Yaghi – for nylig tildelt BBVA Foundation of Frontiers of Knowledge Award i kategorien Basic Sciences – overvejer MOF'ernes historie og deres ansøgninger, der er opstået via SBU-tilgangen.

Metal-organiske rammer (MOF'er) er en fascinerende klasse af meget porøse materialer. De er strukturelt sammensat af metalioner/klynger og organiske linkere for lovende funktionel mangfoldighed på en række forskellige områder. Egenskaber inkluderer deres unikke krystallinitet, afstembar porøsitet og strukturel diversitet. Ydeevnen af ​​MOF'er blev fremhævet i forskellige applikationer såsom gaslagring, katalyseføling og lægemiddellevering. I særdeleshed, SBU'er spiller en vigtig rolle i dampabsorption, som rapporteret med høj vandabsorption. Den strukturelle mangfoldighed af MOF'er afhænger af SBU'er med fremtidigt arbejde projekteret til industrielle applikationer, herunder gasabsorption og separation, høste vand fra luften, bioimaging og terapeutika.

Af design, polynukleære klynge noder, også kendt som SBU'er, er i stand til at bibringe (1) termodynamisk stabilitet via stærke kovalente bindinger og (2) mekanisk/arkitektonisk stabilitet ved stærke retningsbindinger, der kan låse positionen af ​​metalcentre i metalorganiske rammer. Denne egenskab står i kontrast til dem for ustabile og ikke-retningsbestemte enkeltmetalknuder, der dannede svage bindinger til neutrale organiske donorlinkere.

I modsætning til den uforudsigelige metode for traditionel syntetisk organisk kemi, hvor der kun er ringe eller ingen sammenhæng mellem strukturen af ​​udgangsmaterialer og produkter, større forudsigelighed findes i MOF-kemi, da de er designet med forudbestemte topologier. I den syntetiske proces, de kemiske byggeenheder, der er nødvendige for at konstruere det valgte net, bestemmes. Den strukturelle diversitet observeret i MOF-kemi stammer fra en lang række tilgængelige SBU-geometrier; specifikke strukturer kan designes ved at vælge passende udformede og dimensionerede bygningsenheder.

Forfatterne detaljerede derefter forskellige metoder til MOF-syntese, deres kompleksitet, kemiske rammer og anvendelser, der stammer fra sekundære bygningsenheder under MOF-udvikling. I praksis, MOF'er kan bruges til gaslagring og -separation med specifikke implikationer for at adskille kuldioxid og andre drivhusgasser for miljømæssig bæredygtighed. Organiske metalstrukturer kan også danne alsidige heterogene katalysatorer til effektive organiske transformationer, bruges som selvlysende sensorer og til levering af lægemiddellast til cancerterapi.

Anvendelser inden for forskellige områder blev muliggjort af den porøsitet, der er forbundet med MOF'er, muliggjort af SBU-tilgangen. Den kemiske natur, der er forbundet med MOF'er og SBU'er, der førte til udviklingen af ​​egenskaberne ved adsorption, separation og katalyse blev derefter dissekeret yderligere i gennemgangen. Tilgængeligheden af ​​porerum inden for åbne rammestrukturer muliggjorde de applikationer, der blev observeret for MOF'er på forskellige områder. Grundlaget for MOF'er er relateret til evnen til at manipulere stof med en præcision, der tidligere kun var kendt i veletableret molekylær kemi.

Krystalliniteten og porøsiteten af ​​rammen blev fuldt ud bevaret under konstruktionen, fører til udviklingen af ​​"krystaller som molekyler." Introduktionen af ​​SBU-tilgangen var et vendepunkt, der muliggjorde udvidelsen af ​​præcisionskemi fra molekylære komplekser og polymerer til 2-D og 3-D rammer, at designe rationelle strukturer ved hjælp af funktionelle bygningsenheder. Nylige fremskridt inden for MOF-syntese bekræfter potentialet til at omsætte egenskaber ved funktionelle bygningsenheder til en strukturel ramme. Sådanne egenskaber omfatter lineær og ikke-lineær optisk karakter, magnetisme, ledningsevne og katalyse. Nylige fremskridt inden for beregningskemi kan også hjælpe med at forstå materialeegenskaber og forudsige strukturer, der kan konstrueres med den målrettede karakter.

Kompleksitet og heterogenitet kan integreres i MOF'er som for nylig foreslået, at udforske og analysere deres indvirkning på strukturen og i de resulterende egenskaber, i fremtiden. Både kompleksitet og heterogenitet gør det muligt at udvide omfanget af strukturer yderligere, giver adgang til materialer med stort potentiale for øget ydeevne. Kontrol af den rumlige fordeling af forskellige organiske funktionaliteter og metalioner kan føre til designsekvenser inden for eller langs MOF-rygraden. Forventede rumlige arrangementer kan opnås ved at integrere flere SBU'er med specifikke bindingsmønstre direkte i rammedannelse for et enkelt materiale, eller via postsyntetiske metoder. Realiseringen af ​​denne vision kan give anledning til sekvensspecifikke materialer designet til MOF'er til at udføre tilsigtede funktioner. Introduktionen af ​​SBU markerer et vendepunkt i udviklingen af ​​MOF-kemi - og vil fortsat spille en nøglerolle i deres fremtidige udvikling for at få adgang til nye strukturer, egenskaber og applikationer.

© 2018 Phys.org