Det finns ett akut behov av att kontrollera material på molekylär nivå för att göra "material på begäran." En strategi för att utveckla sådana material är under utveckling inom retikulär kemi, härledd från den latinska översättningen "reticulum" som "att ha formen av ett nät." Strategin länkar samman diskreta byggnadsenheter (molekyler och kluster) via bindningar för att skapa stora och utökade kristallina strukturer. Metallorganiska ramverk (MOF) är den mest framträdande klassen av material inom retikulär kemi. Sådana kristallina, utökade strukturer konstrueras genom att sy ihop oorganiska polynukleära kluster som kallas sekundära byggnadsenheter (SBU) och organiska länkar via starka bindningar.

De senaste två decennierna har bevittnat en explosiv tillväxt inom området MOF, med mer än 84, 185 MOF-strukturer dokumenterade i Cambridge Crystallographic Data Centre. En samling artiklar om syntesen, struktur och tillämpning av MOF fortsätter att publiceras varje år. SBU-metoden har avancerad MOF-kemi som den mest betydande bidragsgivaren till den snabba utveckling som observerats inom området. Många MOF-synteser, utredningar och ansökningar härleds från SBU-metoden. Nu granskar området MOF kemi för Vetenskapens framsteg , Markus Kalmutzki, Nikita Hankel och Omar M. Yaghi – som nyligen tilldelats BBVA Foundation of Frontiers of Knowledge Award i kategorin Basic Sciences – överväger MOFs historia och deras ansökningar som har uppstått via SBU-metoden.

Metallorganiska ramverk (MOF) är en fascinerande klass av mycket porösa material. De är strukturellt sammansatta av metalljoner/kluster och organiska länkar för att lova funktionell mångfald inom en mängd olika områden. Egenskaper inkluderar deras unika kristallinitet, avstämbar porositet och strukturell mångfald. MOFs prestanda framhävdes i olika tillämpningar som gaslagring, katalysavkänning och läkemedelstillförsel. Särskilt, SBU spelar en viktig roll i ångabsorption, som rapporterats med hög vattenabsorption. Den strukturella mångfalden av MOF beror på SBU:er med framtida arbete för industriella tillämpningar inklusive gasabsorption och separation, skörda vatten från luften, bioavbildning och terapi.

Genom design, polynukleära klusternoder, även känd som SBU, kan ge (1) termodynamisk stabilitet via starka kovalenta bindningar och (2) mekanisk/arkitektonisk stabilitet genom starka riktningsbindningar som kan låsa metallcentras position i metallorganiska ramverk. Denna egenskap står i kontrast till de hos instabila och icke-riktade enstaka metallnoder som bildade svaga bindningar till neutrala organiska donatorlinkers.

I motsats till den oförutsägbara metoden för traditionell syntetisk organisk kemi där liten eller ingen korrelation existerar mellan strukturen hos utgångsmaterial och produkter, större förutsägbarhet finns i MOF-kemi, eftersom de är designade med förutbestämda topologier. I den syntetiska processen, de kemiska byggnadsenheter som krävs för att konstruera det valda nätet bestäms. Den strukturella mångfalden som observeras i MOF-kemi härrör från en mängd olika tillgängliga SBU-geometrier; specifika strukturer kan utformas genom att välja lämpligt formade och dimensionerade byggnadsenheter.

Författarna beskrev sedan olika metoder för MOF-syntes, deras komplexitet, kemiska ramverk och tillämpningar som härrörde från sekundära byggnadsenheter under MOF-utveckling. I praktiken, MOF kan användas för gaslagring och -separering med specifika konsekvenser för att separera koldioxid och andra växthusgaser för miljömässig hållbarhet. Organiska ramverk av metall kan också bilda mångsidiga heterogena katalysatorer för effektiva organiska transformationer, användas som självlysande sensorer och i läkemedelstransporter för cancerterapi.

Tillämpningar inom olika områden möjliggjordes av porositeten som är inneboende i MOF:er, möjliggjort av SBU-metoden. Den kemiska naturen som är inneboende hos MOF:er och SBU:er som ledde till utvecklingen av egenskaperna hos adsorption, separation och katalys dissekerades sedan vidare inom granskningen. Tillgängligheten av porutrymme inom öppna ramstrukturer möjliggjorde tillämpningarna som observerats för MOFs inom olika områden. Grunden för MOF är relaterad till förmågan att manipulera materia med en precision som tidigare bara varit känd inom väletablerad molekylär kemi.

Kristalliniteten och porositeten hos ramverket bevarades helt under konstruktionen, leder till utvecklingen av "kristaller som molekyler." Införandet av SBU-metoden var en vändpunkt som möjliggjorde utvidgningen av precisionskemi från molekylära komplex och polymerer till 2-D och 3-D ramverk, att designa rationella strukturer med hjälp av funktionella byggnadsenheter. De senaste framstegen inom området för MOF-syntes bekräftar potentialen att översätta egenskaper hos funktionella byggnadsenheter till ett strukturellt ramverk. Sådana egenskaper inkluderar linjär och icke-linjär optisk karaktär, magnetism, ledningsförmåga och katalys. Nya framsteg inom beräkningskemi kan också hjälpa till att förstå materialegenskaper och förutsäga strukturer som kan konstrueras med den målinriktade karaktären.

Komplexitet och heterogenitet kan integreras inom MOFs som nyligen föreslagits, att utforska och analysera deras inverkan på strukturen och de resulterande egenskaperna, i framtiden. Både komplexitet och heterogenitet gör det möjligt att ytterligare utöka omfattningen av strukturer, ger tillgång till material med stor potential för ökad prestanda. Att kontrollera den rumsliga fördelningen av olika organiska funktionaliteter och metalljoner kan leda till designsekvenser inom eller längs MOF-ryggraden. Förväntade rumsliga arrangemang kan uppnås genom att integrera flera SBU:er med specifika bindningsmönster direkt i ramverksbildning för ett enda material, eller via postsyntetiska metoder. Förverkligandet av denna vision kan ge upphov till sekvensspecifika material designade i MOF:er för att utföra avsedda funktioner. Införandet av SBU markerar en vändpunkt i utvecklingen av MOF-kemi – och kommer att fortsätta att spela en nyckelroll i deras framtida utveckling för att få tillgång till nya strukturer, egenskaper och tillämpningar.

© 2018 Phys.org