Введение

Полимер, состоящий из повторяющихся единиц координационного комплекса Координационный полимер представляет собой неорганическую или органометаллическую полимерную структуру, содержащую центры металлических катионов, связанных лигандами. Более формально координационный полимер - это координационное соединение с повторяющимися координационными единицами, простирающимися в 1, 2 или 3 измерениях. Его также можно описать как полимер, чей повторяющийся блок представляет собой координационный комплекс. Координационные полимеры содержат подклассы координационных сетей, которые представляют собой координационные соединения, протяженность которых через повторяющиеся координационные объекты составляет 1 измерение, но с перекрестными связями между двумя или более отдельными цепями, петлями или спироскопами, или координационное соединение, протяженность которого через повторяющиеся координационные объекты составляет 2 или 3 измерения. Подкласс этих структур - металлические органические структуры, или МОФы, которые являются координационными сетями с органическими лигандами, содержащими потенциальные пустоты. Координационные полимеры могут быть классифицированы по ряду способов в соответствии с их структурой и составом. Одна важная классификация называется размерностью. Структура может быть определена как одномерная, двумерная или трехмерная, в зависимости от количества направлений в пространстве, в которые распространяется массив. Одномерная структура простирается по прямой (вдоль оси х); двухмерная структура простирается по плоскости (в двух направлениях, оси х и у); а трехмерная структура простирается во всех трех направлениях (оси х, у и з). Это показано на рисунке 1.

История

Работа Альфреда Вернера и его современников заложила основу для изучения координационных полимеров. Многочисленные уважаемые материалы теперь признаются координационными полимерами. К ним относятся цианидные комплексы прусского синего и клатраты Хофмана.

Синтез и размножение

Координационные полимеры часто готовятся путем самосборки, включающей кристаллизацию металлической соли с помощью лиганда. Механизмы кристаллической инженерии и молекулярной самосборки имеют значение. Примеры различных координатных чисел показаны в плоской геометрии на рисунке 2. На рисунке 1 1D структура координирована 2, плоская координата 4 и 3D координата 6.

Металлические центры

Металлические центры, часто называемые узлами или хабами, связываются с определенным числом линкеров под четко определенными углами. Количество связующих элементов, связанных с узлом, известно как координационное число, которое вместе с углами, в которых они удерживаются, определяет размерность структуры. Координационное число и координационная геометрия металлического центра определяются неравномерным распределением электронной плотности вокруг него, и в целом координационное число увеличивается с размером катионов. Несколько моделей, в частности модель гибридизации и молекулярная орбитальная теория, используют уравнение Шредингера для прогнозирования и объяснения координационной геометрии, однако это трудно сделать частично из-за сложного влияния окружающей среды на распределение электронной плотности.

Переходные металлы

Переходные металлы обычно используются в качестве узлов. Частично заполненные d-орбиталы, либо в атоме, либо в ионе, могут гибридизироваться по-разному в зависимости от окружающей среды. Эта электронная структура заставляет некоторые из них проявлять множественную координационную геометрию, особенно ионы меди и золота, которые как нейтральные атомы имеют полные орбиталы d в своих внешних оболочках.

Лантаноиды

Лантаниды - это крупные атомы с координационными номерами от 7 до 14. Их среду координации трудно предсказать, что затрудняет их использование в качестве узлов. Они предлагают возможность включения люминесцентных компонентов.

Алкальные металлы и щелочноземельные металлы

Алкальные металлы и щелочно-земляные металлы существуют в виде стабильных катионов. В алкальных металлах легко образуются катионы со стабильными валентными оболочками, что дает им другое координационное поведение, чем у лантаноидов и переходных металлов. На них сильно влияет контерион, получаемый из соли, используемой в синтезе, которого трудно избежать. Координационные полимеры, показанные на рисунке 3, являются металлами второй группы. В этом случае размерность этих структур увеличивается по мере увеличения радиуса металла вниз по группе (от кальция к стронцию к барию).

Лиганды

Для координационных полимеров необходимы лиганды, способные образовывать множественные координационные связи, т.е. выступать в качестве мостов между металлическими центрами. Известно много мостовых лигандов. Они варьируются от полифункциональных гетероциклов, таких как пиразин, до простых галоидов. Почти любой тип атома с одиночной парой электронов может служить лигандом. Были исследованы очень сложные лиганды. и фосфора, были отмечены.

Структурная ориентация

Лиганды могут быть гибкими или жесткими. Жесткий лиганд - это тот, который не имеет свободы вращаться вокруг связей или переориентироваться в структуре. Гибкие лиганды могут изгибаться, вращаться вокруг связей и переориентироваться. Эти различные конформации создают больше разнообразия в структуре. Существуют примеры координационных полимеров, которые включают две конфигурации одного лиганда в одной структуре, а также две отдельные структуры, где единственная разница между ними - ориентация лиганда.

Длина лиганда

Длина лиганда может быть важным фактором в определении возможности образования полимерной структуры по сравнению с неполимерными (моно или олигомерными) структурами.

Соседство

Помимо выбора металла и лигандов, существует много других факторов, которые влияют на структуру координационного полимера. Например, большинство металлов - положительно заряженные ионы, которые существуют в виде солей. Контерион в соли может повлиять на общую структуру. Например, когда соли серебра, такие как AgNO3, AgBF4, AgClO4, AgPF6, AgAsF6 и AgSbF6, все кристаллизуются с помощью одного и того же лиганда, структуры различаются с точки зрения координационной среды металла, а также размерности всего координационного полимера.

Окружающая среда кристаллизации

Кроме того, изменения в среде кристаллизации также могут изменить структуру. Изменения рН, воздействие света или изменения температуры могут изменить полученную структуру. Влияние на структуру, основанное на изменениях в среде кристаллизации, определяется в каждом конкретном случае.

Молекулы-гости

Структура координационных полимеров часто включает пустое пространство в виде пор или каналов. Это пустое пространство термодинамически неблагоприятно. Для стабилизации структуры и предотвращения разрушения поры или каналы часто заняты молекулами-гостями. Молекулы-гости не образуют связей с окружающей решеткой, но иногда взаимодействуют посредством межмолекулярных сил, таких как водородная связь или пи-наложение. Чаще всего молекулой-гостем будет растворитель, в котором кристаллизовался координационный полимер, но на самом деле это может быть что угодно (другие соли, атмосферные газы, такие как кислород, азот, углекислый газ и т. д.). Присутствие молекулы-гостя иногда может влиять на структуру, поддерживая поры или канал, где иначе их не было бы.

Приложения

Координационные полимеры встречаются в некоторых коммерциализированных красителях. Металлические сложные красители, использующие медь или хром, обычно используются для получения тусклых цветов. Трёхстворчатые лиганды полезны, потому что они более стабильны, чем их би- или монодентатные аналоги. Некоторые из первых коммерциализированных координационных полимеров - это соединения Хофмана, которые имеют формулу Ni ((CN) 4Ni ((NH3) 2). Эти материалы кристаллизуются с небольшими ароматическими гостями (бензол, некоторые ксилоны), и эта селективность была использована коммерчески для отделения этих углеводородов.

Молекулярные хранилища

Хотя еще не практичны, пористые координационные полимеры имеют потенциал в качестве молекулярных ситов параллельно с пористым углеродом и цеолитами. На странице "Металлоорганические рамки" есть подробный раздел, посвященный хранению газа H2.

Люминесценция

Люминесцентные координационные полимеры обычно имеют органические хромофорические лиганды, которые поглощают свет, а затем передают энергию возбуждения иону металла. Координационные полимеры являются потенциально наиболее универсальными люминесцентными видами из-за их свойств эмиссии, связанных с обменом гостями. Люминесцентные сверхмолекулярные архитектуры в последнее время привлекли большой интерес из-за их потенциальных применений в оптоэлектронных устройствах или в качестве флуоресцентных датчиков и зондов. Координационные полимеры часто более стабильны (термо и растворимостойки), чем чисто органические виды. Для лигандов, которые флуоресцируют без присутствия металлического связующего элемента (не вследствие LMCT), интенсивная фотолюминесцентная эмиссия этих материалов, как правило, имеет величины порядка, превышающие величины только свободного лиганда. Эти материалы могут быть использованы для проектирования потенциальных кандидатов для светодиодных устройств (LED). Резкое увеличение флуоресценции вызвано увеличением жесткости и асимметрии лиганда при координации с центром металла.

Электропроводность

Координационные полимеры могут иметь короткие неорганические и конъюгированные органические мосты в своих структурах, которые обеспечивают пути для электрической проводимости. Примером таких координационных полимеров являются проводящие металлические органические каркасы. Некоторые одномерные координационные полимеры, построенные как показано на рисунке, имеют проводимость в диапазоне от 1x10-6 до 2x10-1 S/cm. Проводность обусловлена взаимодействием между металлическим d-орбиталом и уровнем пи* мостового лиганда. В некоторых случаях координационные полимеры могут иметь полупроводниковое поведение. Трехмерные структуры, состоящие из листов серебра, содержащих полимеры, демонстрируют полупроводникость, когда металлические центры выравниваются, и проводимость уменьшается, когда атомы серебра переходят от параллельной к перпендикулярной.

Магнетизм

Координационные полимеры обладают множеством видов магнетизма. Антиферромагнетизм, ферримагнетизм и ферромагнетизм - это кооперативные явления магнитных спинов в твердом веществе, возникающие в результате соединения между спинами парамагнитных центров. Для обеспечения эффективной магнитной связи ионы металлов должны быть перемещены небольшими лигандами, позволяющими короткие контакты металла с металлом (такие как оксовые, циановые и азидовые мосты).

Возможности датчика

Координационные полимеры также могут показывать изменения цвета при изменении молекул растворителя, включенных в структуру. Примером этого могут служить два координационных полимера кластера [Re6S8 ((CN) 6 4−, содержащих водяные лиганды, которые координируют атомы кобальта. Этот первоначально оранжевый раствор становится фиолетовым или зеленым при замене воды тетрагидрофураном и голубым при добавлении диэтилэфира. Таким образом, полимер может действовать как датчик растворителя, который физически меняет цвет в присутствии определенных растворителей. Изменения цвета связаны с тем, что поступающий растворитель смещает водяные лиганды на атомах кобальта, в результате чего изменяется их геометрия от октаэдра до тетраэдра.