Er is een dringende behoefte om materialen op moleculair niveau te beheersen om 'materialen op aanvraag' te maken. Een strategie om dergelijke materialen te ontwikkelen is in ontwikkeling in de reticulaire chemie, afgeleid van de Latijnse vertaling "reticulum" als "in de vorm van een net." De strategie verbindt discrete bouweenheden (moleculen en clusters) via bindingen om grote en uitgebreide kristallijne structuren te maken. Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn de meest prominente klasse van materialen op het gebied van reticulaire chemie. dergelijke kristallijne, uitgebreide structuren worden geconstrueerd door anorganische polynucleaire clusters die bekend staan ​​als secundaire bouweenheden (SBU's) en organische linkers aan elkaar te naaien via sterke bindingen.

De afgelopen twee decennia hebben zich een explosieve groei voorgedaan op het gebied van MOF's, met meer dan 84, 185 MOF-structuren gedocumenteerd in het Cambridge Crystallographic Data Center. Een verzameling artikelen over de synthese, structuur en toepassing van MOF's wordt nog steeds elk jaar gepubliceerd. De SBU-benadering heeft de MOF-chemie naar voren geschoven als de belangrijkste bijdrage aan de snelle ontwikkeling die in het veld is waargenomen. Veel MOF-syntheses, onderzoeken en toepassingen zijn afgeleid van de SBU-aanpak. Nu het veld van MOF-chemie aan het herzien voor: wetenschappelijke vooruitgang , Markus Kalmutzki, Nikita Hankel en Omar M. Yaghi - onlangs bekroond met de BBVA Foundation of Frontiers of Knowledge Award in de categorie Basic Sciences - kijken naar de geschiedenis van MOF's en hun toepassingen die zijn ontstaan ​​via de SBU-aanpak.

Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn een fascinerende klasse van zeer poreuze materialen. Ze zijn structureel samengesteld uit metaalionen/clusters en organische linkers voor veelbelovende functionele diversiteit op verschillende gebieden. Eigenschappen omvatten hun unieke kristalliniteit, instelbare porositeit en structurele diversiteit. De prestaties van MOF's werden benadrukt in diverse toepassingen zoals gasopslag, katalysedetectie en medicijnafgifte. Vooral, SBU's spelen een belangrijke rol bij dampabsorptie, zoals gemeld met een hoge wateropname. De structurele diversiteit van MOF's hangt af van SBU's met toekomstig werk voor industriële toepassingen, waaronder gasabsorptie en -scheiding, water uit de lucht halen, bio-imaging en therapieën.

Met opzet, polynucleaire clusterknooppunten, ook wel SBU's genoemd, zijn in staat om (1) thermodynamische stabiliteit te verlenen via sterke covalente bindingen en (2) mechanische/architecturale stabiliteit door sterke directionele bindingen die de positie van metalen centra in metaal-organische raamwerken kunnen vergrendelen. Deze eigenschap staat in contrast met die van onstabiele en niet-directionele enkele metaalknopen die zwakke bindingen vormden met neutrale organische donorlinkers.

In tegenstelling tot de onvoorspelbare methode van de traditionele synthetische organische chemie waar weinig tot geen correlatie bestaat tussen de structuur van uitgangsmaterialen en producten, grotere voorspelbaarheid bestaat in MOF-chemie, omdat ze zijn ontworpen met vooraf bepaalde topologieën. In het synthetische proces, de chemische bouweenheden die nodig zijn om het geselecteerde net te bouwen worden bepaald. De structurele diversiteit die wordt waargenomen in MOF-chemie is afkomstig van een grote verscheidenheid aan beschikbare SBU-geometrieën; specifieke structuren kunnen worden ontworpen door bouweenheden met de juiste vorm en afmetingen te kiezen.

De auteurs hebben vervolgens verschillende methoden van MOF-synthese beschreven, hun complexiteit, chemische kaders en toepassingen die tijdens de MOF-ontwikkeling zijn ontstaan ​​uit secundaire bouweenheden. In praktijk, MOF's kunnen worden gebruikt voor gasopslag en -scheiding met specifieke implicaties voor het scheiden van kooldioxide en andere broeikasgassen voor ecologische duurzaamheid. Metaal-organische raamwerken kunnen ook veelzijdige heterogene katalysatoren vormen voor efficiënte organische transformaties, worden gebruikt als lichtgevende sensoren en bij het afleveren van geneesmiddelen voor kankertherapie.

Toepassingen op diverse gebieden werden mogelijk gemaakt door de porositeit die inherent is aan MOF's, mogelijk gemaakt door de SBU-aanpak. De chemische aard die inherent is aan MOF's en SBU's die hebben geleid tot de ontwikkeling van de eigenschappen van adsorptie, scheiding en katalyse werden vervolgens verder ontleed in de review. De toegankelijkheid van porieruimte binnen open raamwerkstructuren maakte de toepassingen mogelijk die voor MOF's op verschillende gebieden werden waargenomen. De basis voor MOF's is gerelateerd aan het vermogen om materie te manipuleren met een precisie die voorheen alleen bekend was in de gevestigde moleculaire chemie.

De kristalliniteit en porositeit van het raamwerk bleef volledig behouden tijdens de bouw, wat leidt tot de ontwikkeling van 'kristallen als moleculen'. De introductie van de SBU-benadering was een keerpunt dat de uitbreiding van precisiechemie van moleculaire complexen en polymeren naar 2D- en 3D-raamwerken mogelijk maakte, om rationele structuren te ontwerpen met behulp van functionele bouweenheden. Recente ontwikkelingen op het gebied van MOF-synthese bevestigen het potentieel om eigenschappen van functionele bouweenheden te vertalen naar een structureel raamwerk. Dergelijke eigenschappen omvatten lineair en niet-lineair optisch karakter, magnetisme, geleidbaarheid en katalyse. Recente ontwikkelingen in computationele chemie kunnen ook helpen om materiaaleigenschappen te begrijpen en structuren te voorspellen die kunnen worden geconstrueerd met het beoogde karakter.

Complexiteit en heterogeniteit kunnen worden geïntegreerd in MOF's, zoals recentelijk is voorgesteld, om hun impact op de structuur en op de resulterende eigenschappen te onderzoeken en te analyseren, in de toekomst. Zowel complexiteit als heterogeniteit maken het mogelijk om de reikwijdte van structuren verder uit te breiden, het verstrekken van toegang tot materialen met een groot potentieel voor betere prestaties. Het beheersen van de ruimtelijke verdeling van verschillende organische functionaliteiten en metaalionen kan leiden tot ontwerpsequenties binnen of langs de MOF-backbone. Verwachte ruimtelijke arrangementen kunnen worden bereikt door meerdere SBU's met specifieke bindingspatronen rechtstreeks te integreren in raamwerkvorming voor een enkel materiaal, of via post-synthetische methoden. De realisatie van deze visie kan aanleiding geven tot sequentiespecifieke materialen die in MOF's worden ontworpen om de beoogde functies uit te voeren. De introductie van de SBU markeert een keerpunt in de ontwikkeling van MOF-chemie - en zal een sleutelrol blijven spelen in hun toekomstige ontwikkeling om toegang te krijgen tot nieuwe structuren, eigenschappen en toepassingen.

© 2018 Fys.org