Gassen en schadelijke stoffen kunnen uit lucht en vloeistoffen worden gefilterd door middel van poreuze, kristallijne materialen, zoals metaal-organische raamwerken (MOF's). Om deze poriën verder te verdelen en hun sorptiecapaciteit te vergroten, een team van wetenschappers heeft een snelle en veelzijdige twee-in-een synthetische strategie ontwikkeld, het combineren van metaalcoördinatie met de covalente chemie van lichte elementen. Zoals gedetailleerd beschreven in een studie in het tijdschrift Angewandte Chemie , het nieuwe materiaal met poriënruimte zou kunnen worden gebruikt als een zeer efficiënt adsorbens van ammoniak.

De structuur van MOF's is een coördinerend netwerk van metalen met organische linkers, die een groot en symmetrisch driedimensionaal poreus netwerk opbouwt. Gassen kunnen in en uit de poriën diffunderen. Eenmaal in een MOF, gasmoleculen adsorberen op adsorptieplaatsen die worden verschaft door de metaalionen en de linkermoleculen. Echter, kleine gasmoleculen zoals CO ₂ , acetyleen, en ammoniak hebben geen grote poriën nodig om te worden opgesloten, en het blijkt dat soms een dichter netwerk en meer adsorptielocaties de capaciteit van een MOF kunnen vergroten.

Daarom, een team van wetenschappers onder leiding van Pingyun Feng aan de Universiteit van Californië, VS, geprobeerd om de poriën te verdelen met covalente liganden - spacer-moleculen die door chemische reacties worden samengevoegd. Partitioneren heeft als bijkomend voordeel dat het de MOF stabieler kan maken. Instabiliteit is een van de redenen waarom MOF's nog niet op grote schaal worden gebruikt, hoewel het veel efficiëntere gassorptiematerialen zijn dan, bijvoorbeeld, zeolieten en actieve kool.

Het Feng-team, waaronder afgestudeerde student Yanxiang Wang, koos het aromatische molecuul pyridine-4-boorzuur als scheidingsmolecuul. Dit is een ongebruikelijk ligand. Het combineert twee verschillende lichte elementen met complementaire reactiviteit:boor is een Lewis-zuur en heeft de neiging om middelen met een hoge elektronendichtheid op te vangen, terwijl de pyridine-stikstof een Lewis-base is die op zoek is naar Lewis-zuren om mee te reageren. Onder normale omstandigheden, deze moleculen zouden elkaar gewoon aanvallen en veel niet-gerichte reacties veroorzaken.

Echter, dit is hier niet gebeurd omdat de auteurs de pyridine-4-boorzuurreactie hebben geïntegreerd in de metaalcoördinatiereactie die de MOF opbouwt. Zowel covalente als coördinerende reacties werkten synergetisch en beschermden het pyridine-4-boorzuur tegen nevenreacties. Er vormde zich een trimeer die netjes in de zeshoekige poriën van de MOF paste. Het resultaat was een MOF met een geïntegreerd covalent organisch netwerk, of "porie-ruimte gepartitioneerde MOF", waardoor veel nieuwe locaties voor gasadsorptie ontstaan.

De wetenschappers synthetiseerden verschillende van deze MOF's, elk met een andere combinatie van metalen en organische liganden. De nieuwe MOF's met porieruimte-partitionering vertoonden betere gasopnames dan die zonder partities. Bovendien, de blootgestelde boor-Lewiszuurplaatsen van de scheidingsliganden maakten de opname van ammoniak mogelijk met een hoge pakkingsdichtheid. Dit werk presenteert een vooruitgang in MOF-synthese en uitvoering. Reacties die niet mogelijk werden geacht, zoals zuivere trimerisatie van een pyridineboorzuur, worden bereikt en kunnen leiden tot zeer bruikbare componenten.