Hóa học và Ứng dụng của Cấu trúc Khung Hữu cơ Kim loại

American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 341 Số 6149 - 2013
Hiroyasu Furukawa1,2, Kyle E. Cordova1,2, M. O’Keeffe3,4, Omar M. Yaghi1,2,4
1Department of Chemistry, University of California, Berkeley, CA 94720 USA
2Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
3Department of Chemistry, Arizona State University, Tempe, AZ 87240, USA.
4NanoCentury KAIST Institute and Graduate School of Energy, Environment, Water, and Sustainability (World Class University), Daejeon 305-701, Republic of Korea.

Tóm tắt

Bối Cảnh Cấu trúc khung hữu cơ kim loại (MOFs) được tạo thành bằng cách liên kết các đơn vị vô cơ và hữu cơ thông qua các liên kết mạnh (tổng hợp mạng). Sự linh hoạt trong việc thay đổi hình học, kích thước và chức năng của các thành phần đã dẫn đến hơn 20.000 MOFs khác nhau được báo cáo và nghiên cứu trong thập kỷ qua. Các đơn vị hữu cơ là các carboxylat hữu cơ ditopic hoặc polytopic (và các phân tử tích điện âm tương tự khác), khi liên kết với các đơn vị chứa kim loại, tạo ra các cấu trúc tinh thể MOF có kiến trúc chắc chắn với độ xốp điển hình lớn hơn 50% thể tích tinh thể MOF. Giá trị diện tích bề mặt của MOFs như vậy thường dao động từ 1000 đến 10,000 m 2 /g, vượt qua các vật liệu xốp truyền thống như zeolites và carbons. Cho đến nay, MOFs có độ xốp cố định đã trở thành loại đa dạng và phong phú hơn bất kỳ lớp vật liệu xốp nào khác. Những khía cạnh này đã làm cho MOFs trở thành ứng viên lý tưởng để lưu trữ nhiên liệu (hydro và methane), bắt giữ carbon dioxide và ứng dụng xúc tác, để kể một vài ví dụ. Các Tiến Bộ Khả năng thay đổi kích thước và đặc tính của cấu trúc MOF mà không thay đổi cấu trúc dưới của chúng đã tạo ra nguyên lý đồng cấu trúc và ứng dụng của nó trong việc tạo ra MOFs với kích thước lỗ lớn nhất (98 Å) và mật độ thấp nhất (0,13 g/cm 3 ). Điều này đã cho phép đưa vào chọn lọc các phân tử lớn (ví dụ, vitamin B 12 ) và protein (ví dụ, protein huỳnh quang xanh) và khai thác các lỗ chân lông làm bình phản ứng. Dọc theo những dòng này, độ bền nhiệt và hóa học của nhiều MOFs đã khiến chúng trở nên thích hợp cho các phương pháp chức năng hóa hậu tổng hợp vô cơ và phức hợp kim loại. Các khả năng này cho phép tăng đáng kể lưu trữ khí trong MOFs và đã dẫn đến việc nghiên cứu sâu rộng của chúng trong xúc tác các phản ứng hữu cơ, hoạt hóa các phân tử nhỏ (hydro, methane, và nước), tách khí, hình ảnh y sinh và dẫn proton, electron và ion. Hiện nay, các phương pháp đang được phát triển để tạo ra các tinh thể nano và siêu tinh thể của MOFs để đưa vào thiết bị. Triển Vọng Kiểm soát chính xác chuỗi lắp ráp của MOFs dự kiến sẽ thúc đẩy lĩnh vực này tiến xa hơn vào các lĩnh vực hóa học tổng hợp mới, trong đó có thể tiếp cận các vật liệu tinh vi hơn nhiều. Ví dụ, các vật liệu có thể được hình dung như có (i) các khoang liên kết với nhau để hoạt động riêng lẻ, nhưng hoạt động đồng bộ; (ii) sự uyển chuyển để thực hiện các hoạt động song song; (iii) khả năng đếm, phân loại và mã hóa thông tin; và (iv) khả năng động học với độ trung thực cao. Những nỗ lực theo hướng này đang được thực hiện thông qua việc giới thiệu một số lượng lớn các nhóm chức khác nhau trong lỗ chân lông của MOFs. Điều này tạo ra các cấu trúc đa biến trong đó sự sắp xếp các chức năng khác nhau dẫn đến việc cung cấp một sự kết hợp đồng bộ các thuộc tính. Công việc trong tương lai sẽ bao gồm việc lắp ráp các cấu trúc hóa học từ nhiều loại đơn vị xây dựng khác nhau, sao cho chức năng của các cấu trúc này được chỉ định bởi sự dị hỗn của sự sắp xếp cụ thể của các thành phần của chúng.

Từ khóa

#cấu trúc khung hữu cơ kim loại #reticular synthesis #carboxylat hữu cơ #lỗ chân không #lưu trữ khí #xúc tác #cấu trúc đa biến #dẫn ion.

Tài liệu tham khảo

10.1038/nature01650

2012 metal-organic frameworks issue. Chem. Rev. 112, 673–1268 (2012); http://pubs.acs.org/toc/chreay/112/2.

10.1039/b511962f

10.1021/cen-v086n034.p013

10.1126/science.1067208

10.1021/ja074366o

10.1126/science.1181761

A. F. Wells Structural Inorganic Chemistry (Oxford Univ. Press New York 1984).

10.1246/bcsj.32.1221

10.1021/ja00146a033

10.1002/anie.199717251

10.1021/ja981669x

10.1038/46248

10.1021/ja9015765

10.1038/nature02311

10.1021/ja071174k

10.1126/science.1192160

10.1126/science.1113247

10.1021/ja302623w

10.1021/ja3055639

10.1021/ic201376t

10.1021/ja202303b

10.1021/ja202303b

10.1038/nchem.834

10.1021/ja0771639

10.1021/ja9040016

10.1021/ja3059827

10.1039/c0jm01671c

10.1021/ja00082a055

10.1021/ja003159k

10.1038/35010088

10.1021/ja803777x

10.1021/ar800124u

10.1021/ic900486r

10.1126/science.283.5405.1148

10.1021/ja066616r

10.1021/ja058777l

10.1021/ja067435s

10.1021/ic901073w

10.1039/b801103f

10.1039/b900013e

10.1021/ja901109t

10.1002/anie.201001009

10.1021/ja1001407

10.1021/ic201744n

10.1021/ja110042b

10.1002/anie.201105966

10.1021/cg201520z

10.1002/1521-3773(20010601)40:11<2113::AID-ANIE2113>3.0.CO;2-3

10.1021/ic062273m

10.1039/b601811d

10.1021/ja1027925

10.1039/c1cc11107h

10.1021/ja045123o

10.1021/ja807023q

10.1073/pnas.0602439103

10.1021/ja8057953

10.1021/cm102601v

10.1021/ic300825s

10.1039/c1sc00136a

10.1002/anie.200462787

10.1021/ja800669j

10.1073/pnas.0909718106

10.1039/c0cs00031k

10.1021/cr200179u

10.1002/chem.200902158

10.1021/ja052431t

10.1002/anie.200903433

10.1021/ja805222x

10.1039/b807080f

10.1002/chem.200600220

10.1039/b718371b

10.1021/ic201396m

10.1002/zaac.200800158

10.1016/j.jorganchem.2007.01.010

10.1021/ar040173j

10.1021/ic050452i

10.1021/ja804703w

10.1016/j.jcat.2008.05.014

10.1021/ja807357r

10.1002/anie.200705998

10.1002/anie.201000576

10.1021/ja300539p

10.1126/science.1083440

10.1021/cr200274s

10.1021/ja056639q

10.1021/ja058213h

10.1021/ja710144k

10.1021/ja072599+

10.1021/ja809954r

10.1021/ja072871f

Mercedes-Benz F125; www.emercedesbenz.com/autos/mercedes-benz/concept-vehicles/mercedes-benz-f125-research-vehicle-technology.

10.1002/1521-3773(20000616)39:12<2081::AID-ANIE2081>3.0.CO;2-A

Green Car Congress; www.greencarcongress.com/2010/10/basf-develops-method-for-industrial-scale-mof-synthesis-trials-underway-in-natural-gas-vehicle-tanks.html.

10.1021/ja0570032

10.1021/la800227x

10.1021/ja8036096

10.1039/c1sc00354b

10.1021/ja206525x

10.1038/nature03852

10.1021/ic200744y

10.1002/anie.200502844

10.1126/science.1217544

10.1002/anie.201206410

10.1080/713738672

10.1021/ja109810w

10.1021/ja310435e

10.1021/ja808681m

10.1021/cm0310519

10.1038/nchem.402

10.1038/nmat2526

10.1002/anie.201102997

10.1021/cr200304e

10.1039/c1cs15276a

10.1021/ie202038m

10.1016/S1387-1811(02)00609-1

10.1021/cm900166h

10.1021/cm103571y

10.1021/ja3049282

10.1021/ja204233q

10.1021/nn100869j

10.1002/anie.201109132

10.1002/asia.201200754

10.1021/ja309361d

10.1126/science.1175441

10.1038/nchem.654

10.1021/ja1097644

10.1039/c0cs00147c

10.1021/ja204818q

10.1002/anie.200804836

10.1021/la100423a

10.1126/science.1190672

10.1002/anie.201103155

10.1002/anie.201203425

10.1021/ic801837t

10.1039/c1cc13170b

10.1039/c1cc15962c

10.1002/anie.200501508

10.1039/b515434k

10.1039/c2dt12138g

10.1039/c2dt32138f

10.1002/ejic.200701284

10.1126/science.1116275

10.1021/ja0656853

10.1039/b600188m

10.1002/anie.200461895

10.1039/b809419e

10.1007/s00269-008-0241-7

10.1021/ja802589u

10.1002/anie.200604306

10.1002/ejic.200400395

10.1016/j.tet.2008.06.036

10.1021/ja049408c

10.1039/c2sc20407j

10.1039/c2jm15933c

Z. Ni thesis University of California Los Angeles (2007).

10.1021/jp302356q

10.1039/c1cc12884a

O. M. Yaghi Hydrogen storage in metal-organic frameworks (2008); www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review08/st_12_yaghi.pdf.

10.1021/cg200271e

10.1021/ja0700395

10.1039/c0cc04146g

10.1021/ja103016y

10.1021/ic034873g

10.1039/c2cc32232c

10.1002/anie.201107873

10.1002/anie.200461214

10.1166/jnn.2010.1493

10.1021/ja300034j

10.1039/c0cc00779j

10.1002/anie.200702324

10.1038/nchem.738

10.1002/anie.200705020

10.1021/ja809985t

10.1002/anie.200805980

10.1021/ic9015977

10.1039/c2cc34840c

10.1021/ic9015977

10.1016/j.jhazmat.2011.08.069

10.1039/c2dt31112g

10.1021/ja063538z

10.1002/anie.200604362

10.1021/ja903411w

10.1039/c0sc00179a

10.1021/ja0649217

10.1002/anie.200460592

10.1021/ja056906s

10.1021/ja901440g

10.1039/c2cc32384b

10.1021/ic8018452

10.1039/b900390h

10.1002/chem.201001549

10.1021/ja808995d

10.1002/chem.201002135

10.1021/ic0611948

10.1021/ja076877g

10.1039/b718367d

10.1016/j.jcat.2009.04.021

10.1039/c1cc00069a

10.1021/cm200557e

10.1021/ja903918s

10.1021/ja906198y

10.1039/b910265e

10.1039/b823392f

10.1021/ja903251e

10.1021/ic101125m

10.1002/anie.201004736

10.1021/cm1005899

10.1002/anie.201003377

10.1021/ja106935d

10.1021/ic101952y

10.1021/ic101935f

10.1002/anie.201200758

10.1021/ja801848j

10.1002/anie.200800686

10.1021/ic900796n

10.1039/b915291c

10.1021/ja100900c

10.1039/b806150e

10.1039/c0ce00416b

10.1021/ic100652x

10.1039/c000154f

10.1016/j.cej.2011.11.048

10.1039/c2ce25131k

10.1039/c2cc17461h

10.1002/anie.200802908

10.1039/b906170c

10.1002/anie.200905960

10.1021/ja202223d

10.1021/ja7114053

10.1039/c2ce06633e

10.1002/ejic.200800002

10.1002/anie.200802545

10.1021/ja909613e

10.1039/c2cc16949e

10.1039/c2dt30689a

10.1021/ic8023265

10.1002/anie.201001527

10.1021/ic1011549

10.1039/c1dt10734h

10.1039/c0cc04526h

10.1039/c2dt30672g

10.1039/c0cc02990d

10.1039/c0jm02416c

10.1021/ic102436b

10.1021/ja108774v

10.1002/cctc.201000386

10.1021/ja7111564

10.1038/nature08326

10.1021/ja900893p

10.1021/ja904189d

10.1039/c2ce06620c

10.1021/ja0009119

10.1021/ja991100b

10.1039/b718443c

10.1038/nmat2808

10.1021/ja056831s

10.1039/b706432b

10.1021/ja078231u

10.1002/chem.200801043

10.1021/ja9084995

10.1021/la100601a

10.1021/ja0740364

10.1021/ic800700h

10.1002/anie.201001063

10.1021/ja109103t

10.1002/anie.201001551

10.1002/anie.200905898

10.1039/b904526k

10.1021/cg9013027

10.1039/b909993j

10.1021/cm301605w

10.1021/ja0163772

10.1016/j.micromeso.2003.12.027

10.1016/j.molcata.2008.10.008

10.1039/b900841a

10.1021/ja101208s

10.1039/c1dt11274k

10.1021/ja067374y

10.1016/j.jcat.2008.11.010

10.1002/adfm.200801130

10.1021/ja9743351

10.1039/c2jm16030g

10.1039/c0sc00582g

10.1016/j.catcom.2011.03.040

10.1016/j.micromeso.2009.06.008

10.1016/j.apcata.2010.04.053

10.1039/b803953b

10.1021/ja2108118

10.1016/j.jcat.2007.06.004

10.1016/j.catcom.2011.07.004

10.3987/COM-09-S(S)58

10.1016/j.apcata.2010.08.045

10.1039/c2ce06608d

10.1039/b714083e

10.1016/j.jcat.2008.05.021

10.1002/chem.200901510

10.1002/ejic.200900509

10.1021/ja204820d

10.1039/b902954k

10.1021/ic0617689

10.1002/ejic.201000937

10.1039/b600408c

10.1002/anie.201205603

10.1039/c2cc18127d

10.1016/j.poly.2007.07.033

10.1021/ja111042f

10.1039/c2cc31075a

10.1039/b810414j

10.1039/b202639b

10.1039/c1dt10826c

10.1002/anie.201204475

10.1002/chem.201003173

10.1016/j.jcat.2009.12.002

10.1039/c0cc01506g

10.1016/j.jcat.2011.09.014

10.1021/ja2038003

10.1039/c1jm10394f

10.1021/ja303728c

10.1007/s11243-009-9188-x

10.1021/jf0512609

10.1021/cm8029517

10.1002/chem.200802385

10.1021/ic0111482

10.1002/anie.200503923

10.1016/j.tca.2009.11.004

10.1021/ja9047653

10.1021/ja203564w

10.1021/ja203695h

10.1016/j.jcat.2008.02.011

10.1002/chem.200800980

10.1002/chem.201101223

10.1016/j.jcat.2010.09.010

10.1002/anie.200602099

10.1039/b415960h

10.1039/b823323c

10.1021/ja2094316

10.1002/anie.201108565

10.1021/ja900203f

10.1016/j.jcat.2009.11.011

10.1039/c0cc01447h

10.1021/ja102134c

10.1002/chem.201101004

10.1002/anie.201205078

10.1039/c000775g

10.1002/cctc.200900228

10.1016/j.catcom.2007.11.019

10.1021/cs200530e

10.1021/cm703339h

10.1002/chem.200901465

10.1021/ja200122f

10.1016/j.jcat.2011.10.001

10.1039/c2cc34622b

10.1039/c2cc36678a

10.1002/adsc.201100503

10.1039/c1cc12701b

10.1021/ic200295h

10.1002/chem.201101321

10.1039/c2cc34620f

10.1039/b508588h

10.1021/ja800087s

10.1002/anie.200803846

10.1002/macp.200900354

Thông tin
Thông tin xuất bản

American Association for the Advancement of Science (AAAS)

Tập 341 Số 6149

Thông tin tác giả