stringtranslate.com

Металлоорганические каркасы на основе карбоксилатов

Металлоорганические каркасы на основе карбоксилатов представляют собой металлоорганические каркасы , в основе которых лежат органические молекулы , содержащие карбоксилатные функциональные группы .

Двухвалентные карбоксилаты

Каркасы на основе двухвалентных карбоксилатов металлов MOF-5 и HKUST-1 являются примерами прототипических материалов MOF и вызвали огромный рост в области металлоорганических каркасов. Поиск по ключевому слову «металлоорганические каркасы» регистрирует >1600 публикаций в 2010 году и >2000 в 2011 году, что является весомым показателем всемирного интереса к этой области и указывает на то, что рост продолжается. Более поздние работы по двухвалентным карбоксилатам с более длинными и сложными органическими компонентами раздвигают границы свойств адсорбции и хранения газов с самыми высокими площадями поверхности и самыми низкими плотностями среди всех известных кристаллических материалов.

МОФ-5 и МОФ-177

MOF-5 является ранним и тщательно изученным примером материала MOF. [1] Материал является примером кубической 3-мерной расширенной решетки, состоящей из неорганических кластеров Zn4O , соединенных терефталатными линкерами. Каждый кластер включает 6 карбоксилатных групп из 6 молекул терефталата, соединяющих атомы цинка, что приводит к расположению октаэдрического типа вокруг кластера, которое при расширении в трех измерениях воспроизводит кубическое расположение материала. Структура сохраняется при удалении растворителя, и в литературе утверждается, что площадь поверхности Ленгмюра (площадь поверхности, эквивалентная монослою) составляет порядка 3000 м2 г1 , что значительно выше, чем у большинства цеолитов , и в то время среди всех известных материалов. Одним из недостатков структуры с большими открытыми порами является потенциальная возможность взаимопроникновения 2 каркасов. В случае MOF-5 и семейства изоретикулярных структур IRMOF [2], если размер пор достаточен для содержания кластера Zn 4 O, а дикарбоксилат имеет достаточную длину, то образование второй расширенной решетки может происходить внутри первой. Это взаимопроникновение или сцепление двух каркасов приводит к значительному снижению пористости, поскольку большая часть пустотного пространства в клетке заполнена другим каркасом. Примеры взаимопроникновения описаны для некоторых членов серии IRMOF. [2]

MOF-177 — еще один пример материала MOF, содержащего тетраэдрический кластер Zn 4 O, но с более сложным и протяженным трикарбоксилатным линкером. [3] Молекула карбоксилата в этом случае находится в большой молекуле BTB (BTB = бензол-1,3,5-трибензойная кислота). Этот большой, но жесткий трикарбоксилатный блок соединяется с кластером таким же образом, как и в структуре MOF-5, но поскольку имеется три карбоксилатных блока и треугольная геометрия, это создает более сферическую пористую структуру клетки, а не кубическую геометрию пор в MOF-5. [1] Было показано, что MOF-177 имеет одну из самых больших площадей поверхности среди известных на сегодняшний день материалов. В литературе указывается значение площади поверхности Ленгмюра 4500 м2 г1 с адсорбцией N2 , дающей изотерму типа I с адсорбцией 1350 мг г-1 между 0,4 и 1 P/P0,50. Эти значения показывают, что MOF-177 представляет собой высокопористый материал MOF с открытым каркасом и трехмерно связанным массивом пористых клеток.

HKUST-1

Отдельный кластер Cu 2 (CO 2 ) 4 (H 2 O) 2 «гребное колесо», координируемый тримезиновой кислотой (слева) и пористым кубическим каркасом (справа) HKUST-1. Синие многогранники представляют квадратную пирамиду CuO5. Черные сферы представляют атомы углерода органического линкера.

HKUST-1 — еще один ранний пример двухвалентного карбоксилатного MOF. [4] Сообщалось примерно в то же время, что и MOF-5, HKUST-1 — это медный MOF « лопастного колеса », где два иона меди образуют димерную единицу с четырьмя мостиковыми карбоксилатами, создавая квадратную плоскую геометрию вокруг двух соседних участков меди. Два иона меди в лопастном колесе координируются с кислородом двух молекул воды, создавая двойную квадратную пирамидальную геометрию для двух участков металла в гидратированной форме структуры. Активация материала перед исследованиями адсорбции приводит к удалению конечных молекул воды, что приводит к координационно ненасыщенному металлическому участку. Жесткая пористая структура каркаса HKUST-1 в сочетании с доступностью активированных участков металла при дегидратации вызвала большой интерес к адсорбционным, разделительным и катализным приложениям. [5] [6] [7]

CPO-27 / MOF-74

Одиночная цепь (слева) и вид вдоль гексагональных каналов (справа) дигидрокситерефталата никеля, CPO-27(Ni). [8] Октаэдры никеля показаны зеленым цветом, черные сферы представляют атомы углерода органического линкера, а красные сферы — кислород адсорбированных молекул воды.

В то время как площадь поверхности и объем пор важны для адсорбционных свойств материалов MOF, другим соображением является наличие координационно ненасыщенных участков металлов. Карбоксилат двухвалентного металла CPO-27(M) (где M = Co,Ni ) был описан Дитцелем и его коллегами [8] , в то время как в то же время работа Рози и др. создала изоструктурный аналог цинка, называемый MOF-74. [9] Двухвалентный металл и линкер 2,5-дигидрокситерефталевой кислоты образуют сотовую структуру из гексагональных каналов. Неорганический компонент представляет собой спиральную цепочку октаэдров NiO6 с общими ребрами, где каждый металл связан с двумя атомами кислорода из гидроксильных групп на лиганде, тремя атомами кислорода из карбоксилатных групп и одной молекулой воды. [8] MOF-74 был получен с использованием ДМФА в качестве растворителя и, как таковой, имеет концевые молекулы ДМФА, связанные со свободными участками металла на цепи. [9] Спиральные цепи CPO-27(Ni) разделены плоским линкером дигидрокситерефталевой кислоты. Эта органическая молекула действует как жесткая опора между цепями, причем каждый линкер связан с тремя различными металлическими участками из каждой цепи. Удаление молекул растворителя из терминальных металлических участков создает пятикоординационные катионы металла с небольшой свободой вращения или искажения цепи для изменения координационной среды. Эта неблагоприятная координационная среда означает, что активированный металлический участок имеет высокую энтальпию адсорбции и легко заполняется адсорбированными гостевыми видами. Цепь топологически идентична цепи бисфосфоната никеля STA-12(Ni), но отличается при дегидратации, где дополнительная гибкость бисфосфонатного линкера позволяет цепи скручиваться и искажаться, снижая доступность координационно ненасыщенного металлического участка. Доступность этого металлического участка в каркасе CPO-27 была исследована для ряда различных адсорбционных приложений с участием таких газов, как CO2 , H2 и NO. [10] [11] [12]

Трехвалентные карбоксилаты

Некоторые из наиболее широко изученных металлоорганических структур — это материалы на основе трехвалентных карбоксилатов металлов. Обширная работа в этой области обеспечила понимание кристаллохимии широкого спектра трехвалентных переходных металлов первого ряда

МИЛ-47 и МИЛ-53

Терефталат ванадия MIL-47 , впервые описанный Бартеле и его коллегами [13] , является примером металлоорганического каркаса, состоящего из бесконечных металлических цепей октаэдров VO6, соединенных линейным органическим линкером терефталата. Эта связь приводит к образованию больших каналов в форме ромба. Каналы в свежеприготовленном ванадиевом MIL-47 содержат некоторое количество остаточной гостевой терефталевой кислоты и, как сообщается, имеют формулу V III (OH)(CO 2 -C 6 H 4 -CO 2 ) и гидроксид-ион μ2-OH, образующий бесконечные цепи. Активация твердого вещества путем нагревания в трубчатой ​​печи при 573 К в течение 24 часов приводит к депротонированию гидроксида на цепях с образованием μ2-оксо и окислению ванадия с получением V IV O(CO 2 -C 6 H 4 -CO 2 ) в качестве формулы для активированного материала. Активированный MIL-47(V) является безводным при комнатной температуре под давлением окружающей среды, поскольку каналы гидрофобны, выстланы фенильными кольцами и не имеют доступных металлических участков или благоприятных позиций водородных связей, каналы гидрофобны. MIL-53 был впервые описан с хромом [14] (Cr3+) и вскоре после этого с алюминием [15] (Al3 + ) с терефталевой кислотой в качестве линкера. MIL-53 изоструктурен с MIL-47, основное отличие состоит в том, что MIL-53 содержит только трехвалентный металл и μ2-гидроксидный мостик, тогда как активированный MIL-47 представляет собой четырехвалентный V4 + с μ2-оксомостиком. Поскольку активированная форма MIL-53 содержит цепи гидроксида металла, каналы гидрофильны с гидроксидными протонами, доступными для водородных связей. Когда активированный MIL-53 (Cr или Al) подвергается воздействию влаги, рентгеновская дифракция показывает, что материал принимает «закрытую» структуру из-за сильного взаимодействия водородных связей между гидроксильными группами неорганических цепей и адсорбированными молекулами воды. [15] В результате такого поведения гидратации объем элементарной ячейки уменьшается примерно на 30%, полностью обратимого при последующей дегидратации. Такие большие структурные изменения в ответ на адсорбцию молекул газа или растворителя обычно называют «дыханием». С момента первых сообщений о хроме и алюминии MIL-53 была проведена обширная работа в этой области, и диапазон материалов MIL-53 теперь распространяется на: Cr 3+ ,Al 3+ , Fe 3+ , Ga 3+ , In 3+ и Sc 3+ .

МИЛ-68

Угловые общие ванадиевые цепи (слева) и крупнопористый каркас MIL-68(V) (справа). 64 октаэдра ванадия показаны красным цветом, черные сферы представляют атомы углерода органического линкера.

Работа Бартелет и соавторов также идентифицировала MIL-68, еще один трехвалентный терефталат металла. [16] Каркас представляет собой полиморф структуры MIL-47/MIL-53 с химической формулой MIIIOH(CO 2 -C 6 H 4 -CO 2 ), первоначально описанной для V3+, а затем для In 3+ и Ga 3+ . В этом случае цепи гидроксида металла соединяются, образуя два типа однонаправленных каналов, треугольных и гексагональных по форме, создавая сеть поровых каналов, подобную «решетке кагоме». Диаметры поперечного сечения треугольных и гексагональных каналов составляют 6 Å и 17 Å соответственно. Молекулы растворителя N,N'- диметилформамида (ДМФ) наблюдались в меньших треугольных каналах свежеприготовленного MIL-68(In), описанного Фолькрингером и др. al, [17] разупорядочены по двум позициям, с водородной связью между кислородом ДМФ и гидроксильной группой неорганической цепи. Растворитель удаляли прокаливанием при 200 °C в течение ночи в печи. Активированные образцы хранили в инертной атмосфере, чтобы предотвратить регидратацию, которая привела бы к гидролизу и в конечном итоге к разложению структуры. Исследования адсорбции на индиевых и галлиевых формах MIL-68 дают значение для площади поверхности BET 1117(24) м2 г-1,746(31) м2 г −1 и 603( 22 ) м2 г1 для галлиевых, индиевых и ванадиевых форм соответственно. Были предприняты попытки ряда процедур активации, и ЯМР-анализ использовался для проверки полного удаления гостевых молекул, чтобы получить результаты по площади поверхности. Значения BET предполагают, что аналоги индия и ванадия не были полностью активированы до адсорбции. Примечательно, что недавнее вычислительное исследование теоретической площади поверхности дало значение 3333 м2 г1 для MIL-68(V), что позволяет предположить, что все еще могут существовать проблемы с активацией со всеми производными MIL-68, что делает часть пористости доступной.

МИЛ-88

Дальнейшее исследование систем карбоксилатов металлов трехвалентного железа и хрома дало ряд материалов, называемых MIL-88(AD). Впервые описанный как фумарат железа [18] и основанный на тримерной строительной единице, полученной при кристаллизации ацетата железа (и хрома), MIL-88 представляет собой семейство изоретикулярных материалов, приготовленных с дикарбоксилатными линкерами [19] .

Реакции с использованием тримерной строительной единицы ацетата металла, как полагают, протекают через механизм обмена лигандами, где ацетат исходного материала заменяется более длинным линейным дикарбоксилатом для создания трехмерного каркаса. MIL-88 представляет собой изоретикулярную серию с увеличивающейся длиной дикарбоксилата, образующую ту же топологию сети, что и фумаровая кислота (MIL-88A), терефталевая кислота (-88B), нафталин-2,6-дикарбоновая кислота (-88C) и 4,4'-бифенилдикарбоновая кислота (-88D). Каркас состоит как из одномерных каналов, так и из тригональных бипирамидальных клеток. Эксперименты по обмену растворителями на форме терефталата, MIL-88B, показывают, что крупные органические молекулы, такие как лутидин и бутанол, способны проникать в каркас и вызывать увеличение объема клетки по сравнению с высушенным материалом. [19] Три металла в тримерном кластере разделяют μ3-O и связаны с соседними металлами четырьмя карбоксилатными группами, оставляя координационно ненасыщенный участок металла, направленный в клетки внутри каркаса. Для поддержания баланса заряда в материале в кластере должен быть один отрицательно заряженный вид, либо гидроксид, либо фторид (в зависимости от условий синтеза), занимающий один из ненасыщенных участков металла, а два других могут быть водой или обмененными видами растворителя.

MIL-88 (Cr и Fe) также демонстрирует дыхательное поведение в ответ на обмен растворителем и адсорбцию газа. Механизм дыхания аналогичен наблюдаемому в MIL-53, где наблюдается шарнирное движение вокруг оси двух атомов кислорода карбоксилата. Однако наблюдаемое расширение и сжатие объема элементарной ячейки намного больше, чем наблюдаемое в MIL-53. Поскольку тримерные единицы соединены в трех измерениях, а не столбчатые ряды терефталатов, соединяющие цепи в MIL-53, изменение происходит по всем трем осям, что приводит к расширению объема ячейки для формы терефталата (MIL-88B) на 125% от полностью высушенной формы (1500 Å3) до наиболее открытой формы, наблюдаемой при сольватации метанола (3375 Å3). [19]

Ссылки

 В данной статье использован текст Джона Патрика Стивена Моуэта, доступный по лицензии CC BY-SA 3.0.

  1. ^ ab Li, Hailian; Eddaoudi, Mohamed; O'Keeffe, M.; Yaghi, OM (ноябрь 1999 г.). «Проектирование и синтез исключительно стабильного и высокопористого металлоорганического каркаса». Nature . 402 (6759): 276–279. doi :10.1038/46248. hdl : 2027.42/62847 . ISSN  1476-4687. S2CID  4310761.
  2. ^ ab Rowsell, Jesse LC; Yaghi, Omar M. (2004-08-06). "Металлоорганические каркасы: новый класс пористых материалов". Microporous and Mesoporous Materials . Metal-Organic Open Frameworks. 73 (1): 3–14. doi :10.1016/j.micromeso.2004.03.034. ISSN  1387-1811. S2CID  41538790.
  3. ^ Rowsell, Jesse LC; Yaghi, Omar M. (2005-07-25). «Стратегии хранения водорода в металлоорганических каркасах». Angewandte Chemie International Edition . 44 (30): 4670–4679. doi : 10.1002/anie.200462786 . ISSN  1433-7851. PMID  16028207.
  4. ^ Chui, Stephen S.-Y.; Lo, Samuel M.-F.; Charmant, Jonathan PH; Orpen, A. Guy; Williams, Ian D. (1999-02-19). "Химически функционализируемый нанопористый материал [Cu 3 (TMA) 2 (H 2 O) 3 ] n". Science . 283 (5405): 1148–1150. doi :10.1126/science.283.5405.1148. ISSN  0036-8075. PMID  10024237.
  5. ^ Prestipino, C.; Regli, L.; Vitillo, JG; Bonino, F.; Damin, A.; Lamberti, C.; Zecchina, A.; Solari, PL; Kongshaug, KO; Bordiga, S. (2006-03-01). "Локальная структура каркаса Cu(II) в металлорганическом каркасе HKUST-1: спектроскопическая характеристика при активации и взаимодействии с адсорбатами". Химия материалов . 18 (5): 1337–1346. doi :10.1021/cm052191g. ISSN  0897-4756.
  6. ^ Vitillo, Jenny G.; Regli, Laura; Chavan, Sachin; Ricchiardi, Gabriele; Spoto, Giuseppe; Dietzel, Pascal DC; Bordiga, Silvia; Zecchina, Adriano (2008-07-01). "Роль открытых металлических участков в хранении водорода в MOF". Журнал Американского химического общества . 130 (26): 8386–8396. doi :10.1021/ja8007159. ISSN  0002-7863. PMID  18533719.
  7. ^ Маркс, Стефан; Клейст, Вольфганг; Байкер, Альфонс (2011-07-01). «Синтез, структурные свойства и каталитическое поведение Cu-BTC и смешанного линкера Cu-BTC-PyDC при окислении производных бензола». Журнал катализа . 281 (1): 76–87. doi :10.1016/j.jcat.2011.04.004. ISSN  0021-9517.
  8. ^ abc Dietzel, Pascal DC; Johnsen, Rune E.; Blom, Richard; Fjellvåg, Helmer (2008-03-07). "Структурные изменения и координационно ненасыщенные атомы металлов при дегидратации сотовых аналогичных микропористых металлоорганических каркасов". Chemistry - A European Journal . 14 (8): 2389–2397. doi :10.1002/chem.200701370. PMID  18203217.
  9. ^ ab Rosi, Nathaniel L.; Kim, Jaheon; Eddaoudi, Mohamed; Chen, Banglin; O'Keeffe, Michael; Yaghi, Omar M. (2005-02-01). "Упаковки стержней и металлоорганические каркасы, построенные из вторичных строительных единиц в форме стержней". Журнал Американского химического общества . 127 (5): 1504–1518. doi :10.1021/ja045123o. ISSN  0002-7863. PMID  15686384.
  10. ^ Dietzel, Pascal DC; Georgiev, Peter A.; Eckert, Juergen; Blom, Richard; Strässle, Thierry; Unruh, Tobias (2010). «Взаимодействие водорода с доступными участками металла в металлоорганических каркасах M2(dhtp) (CPO-27-M; M = Ni, Co, Mg)». Chemical Communications . 46 (27): 4962–4964. doi :10.1039/c0cc00091d. ISSN  1359-7345. PMID  20512182.
  11. ^ Чаван, Сачин; Бонино, Франческа; Витилло, Дженни Г.; Гроппо, Елена; Ламберти, Карло; Дитцель, Паскаль, округ Колумбия; Зекчина, Адриано; Бордига, Сильвия (2009). «Реакция CPO-27-Ni на CO, N2 и C2H4». Физическая химия Химическая физика . 11 (42): 9811–9822. дои : 10.1039/b907258f. ISSN  1463-9076. ПМИД  19851561.
  12. ^ МакКинли, Алистер С.; Моррис, Рассел Э.; Оркахада, Патрисия; Ферей, Жерар; Греф, Руксандра; Куврёр, Патрик; Серр, Кристиан (2010-08-23). ​​"BioMOFs: Металлоорганические каркасы для биологических и медицинских приложений". Angewandte Chemie International Edition . 49 (36): 6260–6266. doi :10.1002/anie.201000048. PMID  20652915.
  13. ^ Бартеле, Карин; Марро, Жером; Риу, Дидье; Ферей, Жерар (18.01.2002). <291::aid-ange291>3.0.co;2-i "Дышащее гибридное органо-неорганическое твердое тело с очень большими порами и высокими магнитными характеристиками". Angewandte Chemie . 114 (2): 291–294. doi :10.1002/1521-3757(20020118)114:2<291::aid-ange291>3.0.co;2-i. ISSN  0044-8249.
  14. ^ Serre, Christian; Millange, Franck; Thouvenot, Christelle; Noguès, Marc; Marsolier, Gérard; Louër, Daniel; Férey, Gérard (2002-11-01). "Очень большой эффект дыхания в первых нанопористых твердых телах на основе хрома(III): MIL-53 или Cr III (OH)·{O 2 C−C 6 H 4 −CO 2 }·{HO 2 C−C 6 H 4 −CO 2 H} x ·H 2 O y". Журнал Американского химического общества . 124 (45): 13519–13526. doi :10.1021/ja0276974. ISSN  0002-7863. PMID  12418906.
  15. ^ ab Loiseau, Thierry; Serre, Christian; Huguenard, Clarisse; Fink, Gerhard; Taulelle, Francis; Henry, Marc; Bataille, Thierry; Férey, Gérard (2004-03-19). "Обоснование большого дыхания пористого терефталата алюминия (MIL-53) при гидратации". Chemistry - A European Journal . 10 (6): 1373–1382. doi :10.1002/chem.200305413. ISSN  0947-6539. PMID  15034882.
  16. ^ Barthelet, K.; Marrot, J.; Férey, G.; Riou, D. (2004). "V III (OH){O 2 C–C 6 H 4 –CO 2 }.(HO 2 C–C 6 H 4 –CO 2 H)x(DMF) y (H 2 O)z (или MIL-68), новый ванадокарбоксилат с гибридной топологией больших пор: ретикулярный синтез с бесконечными неорганическими строительными блоками?". Chem. Commun. (5): 520–521. doi :10.1039/B312589K. ISSN  1359-7345. PMID  14973587.
  17. ^ Volkringer, Christophe; Meddouri, Mohamed; Loiseau, Thierry; Guillou, Nathalie; Marrot, Jérôme; Férey, Gérard; Haouas, Mohamed; Taulelle, Francis; Audebrand, Nathalie; Latroche, Michel (15.12.2008). "Топология Kagomé металлоорганических каркасных типов Gallium и Indium со структурой MIL-68: синтез, XRD, характеристики ЯМР в твердом состоянии и адсорбция водорода". Inorganic Chemistry . 47 (24): 11892–11901. doi :10.1021/ic801624v. ISSN  0020-1669. PMID  19053340.
  18. ^ Серр, Кристиан; Милланж, Франк; Сюрбле, Сьюзи; Ферей, Жерар (2004-11-26). «Путь к синтезу пористых карбоксилатов трехвалентных переходных металлов с тримерными вторичными строительными единицами». Angewandte Chemie International Edition . 43 (46): 6285–6289. doi :10.1002/anie.200454250. PMID  15372643.
  19. ^ abc Serre, C.; Mellot-Draznieks, C.; Surblé, S.; Audebrand, N.; Filinchuk, Y.; Férey, G. (2007-03-30). "Роль взаимодействий растворителя и хозяина, приводящих к очень большому набуханию гибридных каркасов". Science . 315 (5820): 1828–1831. doi :10.1126/science.1137975. ISSN  0036-8075. PMID  17395825. S2CID  1148779.