Кіріспе

Координациялық полимер - лигандтар арқылы байланысқан металл катион орталықтарын қамтитын органикалық емес немесе органикалық металл полимерлік құрылым. Координациялық полимер - 1, 2 немесе 3 өлшемді қайталанатын координациялық құрылымдары бар координациялық қосылыстар. Оны қайталау бірліктері координациялық кешендер болып табылатын полимер ретінде де сипаттауға болады. Координациялық полимерлер 1 өлшемде қайталанатын координациялық бірліктер арқылы жалғасатын, бірақ екі немесе одан да көп жеке тізбектер, циклдер немесе спиро сілтемелері арасындағы қиылысқан байланыстары бар немесе 2 немесе 3 өлшемде қайталанатын координациялық бірліктер арқылы жалғасатын координациялық қосылыстар болып табылатын координациялық желілердің кіші кластарын қамтиды. Олардың бір кіші класы - металл органикалық фреймворктер немесе МОФ, олар ықтимал бос орындарды қамтитын органикалық лигандтармен үйлестіру желілері. Координациялық полимерлерді олардың құрылымы мен құрамына қарай бірнеше жолмен жіктеуге болады. Бір маңызды жіктелу өлшемділік деп аталады. Құрылысты массивтің кеңістіктегі бағыттарының санына байланысты бір, екі немесе үш өлшемді деп анықтауға болады. Бір өлшемді құрылым тура сызықта (x ось бойымен) созылады; екі өлшемді құрылым жазықтықта (екі бағытта, x және y осьтерінде) созылады; ал үш өлшемді құрылым барлық үш бағытта (x, y және z осьтерінде) созылады. Бұл 1-суретте көрсетілген.

Тарих

Альфред Вернердің және оның замандастарының еңбектері координациялық полимерлерді зерттеудің негізін қалады. Көптеген уақыт құрметтелген материалдар қазір координациялық полимерлер ретінде танылған. Бұларға цианидтер кешендері Пруссия көгі мен Хофман клатраттары жатады.

Синтез және көбею

Координациялық полимерлер көбінесе металл тұзын лигандпен кристалдастыруды қамтитын өзін-өзі құрастыру арқылы дайындалады. Кристаллдарды жасау және молекулалық өздігінен құрастыру механизмдері маңызды. Түрлі координациялық сандардың мысалдары 2-суретте жазық геометрияда көрсетілген. 1-суретте 1D құрылым 2-координатталған, жазықтық 4-координатталған, ал 3D 6-координатталған.

Металл орталықтары

Металл орталықтары, көбінесе түйіндер немесе хабтар деп аталады, нақты бұрыштарда белгілі бір сандағы линкерлерге байланады. Торапқа байланған линкерлердің саны координациялық сан деп аталады, ол оларды ұстайтын бұрыштармен бірге құрылыстың өлшемділігін анықтайды. Металл орталығының координациялық саны мен координациялық геометриясы оны қоршаған электрон тығыздығының біркелкі емес таралуымен анықталады және жалпы координациялық саны катионның көлемімен өседі. Бірнеше модельдер, әсіресе гибридтеу моделі мен молекулалық орбитальдық теория, Шредингер теңдеуін координациялық геометрияны болжау және түсіндіру үшін қолданады, алайда бұл электрондық тығыздықтың таралуына қоршаған ортаның күрделі әсерінен қиын.

Өтпелі металдар

Өтпелі металдар көбінесе түйін ретінде қолданылады. Атом немесе ионда ішінара толтырылған d орбиталдары қоршаған ортаға байланысты әртүрлі түрде будандаса алады. Бұл электронды құрылым олардың кейбіреулеріне бірнеше координациялық геометрияны, әсіресе бейтарап атомдар ретінде сыртқы қабықтарында толық d орбитальдары бар мыс және алтын иондарын көрсетеді.

Лантаноидтар

Лантанидтер - 7 - ден 14 - ге дейінгі координациялық сандары бар ірі атомдар. Олардың үйлестіру ортасын болжау қиын болуы мүмкін, сондықтан оларды түйін ретінде пайдалану қиын. Олар люминесцентті компоненттерді қосу мүмкіндігін ұсынады.

Қатты металдар және сілтілі жер металдар

Қалтық металдар мен сілтілі жер металдары тұрақты катион ретінде болады. Әлкалы металдар тұрақты валентті қабықшалары бар катиондарды тез түзеді, бұл оларға лантаноидтер мен өтпелі металдарға қарағанда басқа үйлестіру мінез-құлқын береді. Оларға синтезде қолданылатын тұздан келетін контерион қатты әсер етеді, одан аулақ болу қиын. 3-суретте көрсетілген координациялық полимерлердің барлығы екінші топтағы металдар. Бұл жағдайда, бұл құрылымдардың өлшемділігі металдың радиусы топқа қарай (кальцийден стронцийге дейін барийге дейін) ұлғая бастаған сайын артады.

Лигандтар

Координациялық полимерлерге бірнеше координациялық байланыстар құру қабілеті бар лигандтар қажет, яғни металл орталықтары арасындағы көпірлер ретінде әрекет етеді. Көптеген көпірлік лигандтар белгілі. Олар пиразин сияқты полифункционалдық гетероциклдерден бастап қарапайым галидтерге дейін. Электрондардың жалғыз жұбы бар кез келген атом лиганд ретінде қызмет ете алады. Өте күрделі лигандтар зерттелді. және фосфор, байқалады.

Құрылымдық бағыт

Лигандтар икемді немесе қатты болуы мүмкін. Қатты лиганд - бұл байланыстар айналасында айналу немесе құрылым ішінде қайта бағдарлану еркіндігі жоқ лиганд. Иілгіш лигандтар бүгіліп, байланыстар айналасында айналып, өздерін қайта бағыттауға қабілетті. Бұл әртүрлі пішіндер құрылыста көбірек әртүрлілікті тудырады. Бір құрылымдағы бір лигандтың екі конфигурациясын, сондай-ақ олардың арасындағы жалғыз айырмашылық лиганд бағыты болып табылатын екі бөлек құрылымды қамтитын координациялық полимерлердің мысалдары бар.

Лиганд ұзындығы

Лигандтың ұзындығы полимерлік құрылымның полимерлік емес (моно немесе олигомерлік) құрылымдарға қарағанда қалыптасу мүмкіндігін анықтаудың маңызды факторы болуы мүмкін.

Қауымдастық

Металл мен лиганд таңдаудан басқа, координациялық полимердің құрылымына әсер ететін көптеген факторлар бар. Мысалы, металл орталықтарының көпшілігі тұз түрінде болатын оң зарядталған иондар. Тұздағы контерион жалпы құрылысына әсер етеді. Мысалы, AgNO3, AgBF4, AgClO4, AgPF6, AgAsF6 және AgSbF6 сияқты күміс тұздары бірдей лигандпен кристалданатын кезде, құрылымдар металдың үйлестіру ортасы, сондай-ақ бүкіл үйлестіру полимерінің өлшемдері бойынша өзгереді.

Кристалдану ортасы

Сонымен қатар, кристалдану ортасындағы өзгерістер де құрылымын өзгерте алады. РН-нің өзгеруі, жарыққа түсу немесе температураның өзгеруі нәтижесінде пайда болған құрылысты өзгерте алады. Кристалдану ортасының өзгеруіне байланысты құрылымға әсері әрбір жағдайда жеке анықталады.

Қонақ молекулалары

Координациялық полимерлердің құрылымында көбінесе поралар немесе арналар түріндегі бос орын болады. Бұл бос кеңістік термодинамикалық жағынан қолайсыз. Құрылысты тұрақтандыру және құлдырауды болдырмау үшін, тесік немесе арналарды жиі қонақ молекулалар алады. Қонақ молекулалары қоршаған тормен байланыстар жасамайды, бірақ кейде сутек байланысы немесе пи үйілу сияқты молекулааралық күштер арқылы өзара әрекеттеседі. Көбінесе қонақ молекуласы координациялық полимер кристалдасқан еріткіш болады, бірақ ол шынымен кез-келген нәрсе болуы мүмкін (осы жерде басқа тұздар, оттегі, азот, көмірқышқыл газы сияқты атмосфералық газдар және т.б.). Қонақ молекуласының болуы кейде, егер ол болмаса, жоқ болатын жерлердегі тесік немесе арнаны қолдап, құрылымына әсер етуі мүмкін.

Қолданбалар

Координациялық полимерлер кейбір коммерциялық бояуларда кездеседі. Тридентат лиганд бояғыштар пайдалы, өйткені олар би- немесе монодентат тектестеріне қарағанда тұрақты. Координациялық полимерлердің алғашқы коммерцияланған түрлері - Хофманның қосылыстары, олардың формуласы Ni ((CN) 4Ni ((NH3) 2) болып табылады. Бұл материалдар шағын ароматты қонақтармен (бензол, кейбір ксилендер) кристалданады және бұл селективтілік осы көмірсутектерді бөлу үшін коммерциялық мақсатта пайдаланылады.

Молекулалық сақтау

Әлі тәжірибеге енгізілмеген болса да, кеуекті координациялық полимерлер молекулалық сілемдер ретінде, кеуекті көміртек пен цеолиттермен қатар, әлеуетті. Металл органикалық шеңбер бетінде H2 газын сақтау туралы егжей-тегжейлі бөлім бар.

Жарық түсіру

Люминесцентті координациялық полимерлерде әдетте жарықты сіңіретін және металл ионына қоздыру энергиясын беретін органикалық хромофоралық лигандтар болады. Координациялық полимерлер, ықтимал, ең көпсалалы люминесцентті түрлер болып табылады, өйткені олардың эмиссиялық қасиеттері қонақ алмасумен үйлесімді. Люминесцентті супермолекулалық архитектуралар жақында оптоэлектрондық құрылғыларда немесе флуоресцентті сенсорлар мен зондтар ретінде қолдану мүмкіндігіне байланысты үлкен қызығушылық тудырды. Координациялық полимерлер көбінесе таза органикалық түрлерге қарағанда тұрақты (термо және еріткішке төзімді). Металл байланыстырғыштың болмауымен флуоресценцияланатын лигандтар үшін (LMCT-ге байланысты емес), бұл материалдардың интенсивті фотолюминесценциялық эмиссиясы тек еркін лигандтың шамасынан жоғары болады. Бұл материалдарды жарық сәулесін шығаратын диодты (LED) құрылғылардың әлеуетті кандидаттарын жобалау үшін пайдалануға болады. Флуоресценцияның күрт өсуі лигандтың қаттылығы мен асимметриясының өсуінен, ол металл орталығына үйлестірілген кезде пайда болады.

Электр өткізгіштігі

Координациялық полимерлердің құрылымында электр өткізгіштік жолдарды қамтамасыз ететін қысқа органикалық емес және конъюгацияланған органикалық көпірлер болуы мүмкін. Мұндай координациялық полимерлердің мысалы өткізгіш металл органикалық каркастар болып табылады. Суретте көрсетілгендей құрастырылған кейбір бір өлшемді координациялық полимерлер 1x10-6-дан 2x10-1 S/см-ге дейінгі өткізгіштікті көрсетеді. Өткізгіштігі металл d орбиталы мен көпірлік лиганттың pi* деңгейінің өзара әрекеттесуінен туындайды. Кейбір жағдайларда координациялық полимерлер жартылай өткізгіштік мінез-құлыққа ие болуы мүмкін. Полимерлі күміс табақтардан тұратын үш өлшемді құрылымдар металл орталықтары тіке орналасқан кезде жартылай өткізгіштікті көрсетеді, ал күміс атомдары параллельден перпендикулярға ауысқанда өткізгіштік төмендейді.

Магнетизм

Координациялық полимерлер магнетизмнің көптеген түрлерін көрсетеді. Антиферромагнетизм, ферромагнетизм және ферромагнетизм - магниттік спиндердің өзара әрекеттесуі, олар қатты денедегі магниттік спиндердің өзара әрекеттесуінен туындайтын құбылыстар. Тиімді магниттік әсер ету үшін металл иондарын қысқа металл байланыстарына мүмкіндік беретін шағын лиганттармен (оксо, циано және азидо көпірлері сияқты) көпірлеу керек.

Сенсордың мүмкіндігі

Координациялық полимерлер құрылымына қосылған еріткіш молекулаларының өзгеруі кезінде түстің өзгеруін де көрсете алады. Бұған мысал ретінде кобальт атомдарына координацияланатын су лигандылары бар [Re6S8(CN) 6 4− кластерінің екі Координациялық полимерін келтіруге болады. Бұл бастапқыда қызғылт сары ерітінді суды тетрагидрофуранмен алмастырған кезде қызғылт немесе жасыл түске айналады, ал диетил эфирі қосылған кезде көк түске айналады. Полимер еріткіш сенсор ретінде жұмыс істейді, ол белгілі бір еріткіштердің қатысуымен физикалық түрде түсін өзгертеді. Түс өзгеруі кобальт атомдарының су лигандыларын алмастыратын еріткіштің пайда болуымен байланысты, нәтижесінде олардың геометриясы октаэдрден тетраэдрге ауысады.