Одно из перспективных направлений современной химии – синтез металл-органических каракасов (МОК или МOF, metal-organic frameworks). Такие вещества отличаются высокой пористостью структуры и уникальной формой и составом поверхности этих пор, что обусловливает применение МОК в адсорбции, разделении сложных смесей газов и жидкостей, а также в создании газовых сенсоров. За последние двадцать лет получено и описано более трех тысяч МОК.
Структура обычного МОК выглядит как 3D решётка, в узлах которой находятся положительно заряженные катионы металлов, например, цинка, кобальта, меди, хрома, железа, циркония, как показано на схеме слева. Узлы соединяются между собой жесткими линкерными анионами. Чаще всего это анионы ароматических дикарбоновых кислот, например, терефталевой.
Учёные ЮУрГУ предложили создать анти-МОК, поменяв роли анионов и катионов.
За эту задачу взялась группа исследователей: доктора химических наук Дмитрий Жеребцов и Сергей Адонин, кандидаты химических наук Сергей Найферт и Андрей Ефремов, Ph.D. Раджакумар Кантхапажам, аспирант Артём Осипов и студент Сергей Атапин – из Челябинска, а также их коллеги из Санкт-Петербурга и Иркутска.
В ноябре 2023 года старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физико-химии материалов Дмитрий Жеребцов обозначил проблему перед своими сотрудниками. В марте 2024 года в лаборатории кафедры были получены первые кристаллы, в мае того же года в научном парке СПбГУ были решены структуры этих кристаллов, и коллектив взялся за рукопись. А 8 октября 2024 года престижный международный журнал «ActaCrysrtallographica B» принял статью в печать.
В анти-МОК в качестве узлов решётки выступают анионы – карбонаты, сульфаты и так далее. Соединяются же они жесткими стержнеобразными дикатионами – молекулами с парой положительных зарядов на противоположных концах, что показано на схеме справа.
В узлах решётки полученного анти-МОК находятся тетраванадат-анионы. Дикатионы гексаметилбензидиния в свою очередь представляют собой цепочку из двух бензольных колец с четвертичными катионами азота на противоположных концах. Оставшееся между этими катионами пространство может заполняться молекулами воды или молекулами-гостями.
«Безусловно, вслед за открытием первого представителя нового класса каркасных структур, в мире начнется активное расширение числа подобных структур, количество которых также будет исчисляться тысячами. Приятно сознавать, что Россия закрепила за собой пионерскую работу в этой области», – считает руководитель проекта Дмитрий Жеребцов.
Рисунок заимствован из журнала «Acta Crysrtallographica B».
Работа проведена при поддержке гранта РНФ 23-13-00045.