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Chimie réticulaire et expansion isoréticulaire

2002
  • Omar M. Yaghi
  • Michael O’Keeffe
Synthesis of Metal-Organic Frameworks in a modern laboratory setting, focusing on reticular chemistry.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

La chimie réticulaire est le principe de conception des MOF. Elle implique l'assemblage de blocs moléculaires prédéterminés (nœuds métalliques et lieurs organiques) en structures étendues et ordonnées aux topologies prévisibles. Une démonstration clé de ce principe est la synthèse de MOF isoréticulaires, où la topologie du réseau sous-jacent est maintenue tandis que la taille des pores est systématiquement augmentée grâce à l'utilisation de lieurs organiques de plus en plus longs.

Reticular chemistry elevates the synthesis of materials from a trial-and-error process to a more deterministic, design-based science. It treats the metal clusters (Secondary Building Units, SBUs) and organic linkers as pre-defined geometric shapes (e.g., an octahedral SBU and a linear linker). By understanding the coordination preferences of the metal and the geometry of the linker, chemists can predict the resulting network topology before synthesis. The most famous example of this is the Isoreticular MOF (IRMOF) series, which is based on the archetypal MOF-5 structure. MOF-5 has a primitive cubic (pcu) topology formed from Zn4O octahedral SBUs and linear 1,4-benzenedicarboxylate (BDC) linkers.

The concept of isoreticular expansion was demonstrated by replacing the BDC linker with longer, but geometrically similar, dicarboxylate linkers like 2,6-naphthalenedicarboxylate (NDC) or 4,4′-biphenyldicarboxylate (BPDC). The resulting materials, IRMOF-8 and IRMOF-10 respectively, retained the same pcu network topology as MOF-5 but featured significantly larger pores. This systematic variation allowed for a direct correlation between linker length, pore size, and properties like gas uptake capacity, proving that MOF properties could be fine-tuned in a highly controlled manner. This principle has been extended to numerous other network topologies and building block combinations, solidifying MOFs as a prime example of programmable matter at the molecular level.

UNESCO Nomenclature: 2203
– Inorganic chemistry

Taper

Design Principle

Perturbation

Foundational

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • concepts de chimie supramoléculaire par jean-marie lehn
  • principes d'ingénierie cristalline développés par Gerhard Schmidt
  • développement de la diffraction des rayons X sur monocristal pour la détermination de la structure
  • synthèse de polymères de coordination précoce
  • analyse topologique des structures cristallines

Applications

  • réglage systématique de la taille des pores pour le tamisage moléculaire sélectif
  • rational design of catalyseurs with controlled active site spacing
  • études fondamentales sur le gaz adsorption dans des espaces confinés
  • création de structures poreuses hiérarchiques
  • conception de structures pour encapsuler de grosses molécules comme les protéines

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • MOF programmables qui modifient la taille des pores en réponse à la lumière ou à la chaleur
  • multi-component mofs (MT-MOFs) with precisely arranged, different linkers for complex catalytic cascades
  • MOF chiraux conçus pour les séparations énantiosélectives dans l'industrie pharmaceutique
  • portes logiques basées sur MOF où les entrées chimiques déclenchent des changements structurels
  • matériaux à dilatation thermique négative conçus à partir de principes de base
  • cadres dynamiques pour capturer et libérer des molécules à la demande
  • mof ‘sponges’ for crystallizing and determining the structure of otherwise non-crystallizable molecules
  • cadres avec des défauts conçus avec précision pour une activité catalytique améliorée
  • structures mof interpénétrées pour une stabilité mécanique améliorée
  • matériaux composites combinant des MOF avec des polymères pour une meilleure aptitude au traitement
Related to: reticular chemistry, isoreticular, MOF, irMOF, crystal engineering, topology, secondary building unit, SBU, rational design, pore size tuning.

Contexte historique

Chimie réticulaire et expansion isoréticulaire

1991
1994
1997
2002
2015-09-14
1990
1993-01-01
1995
2000
2004

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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