Химики получили ковалентный органический каркас со структурой цеолита

Химики из Китая и США получили первый ковалентный органический каркас со структурой как у неорганических цеолитов. Вещество оказалось термостабильным и устойчивым к действию кислот и щелочей, а длина пор в каркасной структуре достигала 16 нанометров. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie.

Цеолиты — неорганические соединения с пористой структурой. Они состоят из алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов, а основной мотив их структуры — тетраэдрические фрагменты с атомами кремния и алюминия в центре тетраэдра и атомами кислорода в его вершинах. Длина пор в цеолитах редко превышает один нанометр, и в них помещаются только небольшие молекулы. На этом основано одно из применений цеолитов в лаборатории — их добавляют в реакционные сосуды, если нужно связывать образующуюся в реакции воду.

Чтобы расширить возможности применения цеолитов, химики научились делать их металлорганические аналоги. В них атомы переходных металлов находятся в центре тетраэдров, а вершины занимают лиганды на основе имидазола. Размер пор в таких структурах обычно больше, чем в неорганических цеолитах, но они намного менее стабильны термически и химически. Координационные связи в металлорганических цеолитах, как правило, более слабые, чем ионные связи в неорганических.

Пойти еще дальше и получить полностью органические аналоги цеолитов решили химики под руководством Фан Цяньжуна (Fang Qianrong) из Цзилиньского университета. Они выбрали два органических соединения с жесткой тетраэдрической структурой, причем одно из них содержало четыре аминогруппы, а другое — четыре альдегидных группы, и провели реакцию конденсации. В ней получилось соединение с каркасной структурой, которую ученые начали расшифровывать.

Сначала с помощью ИК-спектроскопии химики выяснили, что в реакции, как они и хотели, образовались двойные связи углерод-азот. Соединения с такими связями образуются при конденсации аминов с альдегидами, а называют их основаниями Шиффа. Окончательно ученые расшифровали структуру с помощью экспериментов по электронной дифракции. Оказалось, что тетраэдрические фрагменты в ковалентном органическом цеолите собираются в вершины кубов, которые образуют вложенные друг в друга сетки.

Термогравиметрический анализ показал, что полученное вещество стабильно при нагревании до 300 градусов Цельсия. Более того, оно не разлагалось ни в органических растворителях, ни в сильнокислых или щелочных водных растворах.

Рассчитанный на основе экспериментов по адсорбции максимальный диаметр пор органического цеолита составил около 1,6 нанометра, а удельная поверхность — 2785 квадратных метров на грамм. Это рекордное значение среди подобных металлорганических и неорганических структур. Также химики заметили, что их вещество может поглощать до 223 кубических сантиметров водорода на грамм (около двух массовых процентов).

Пористые каркасные структуры часто используют для селективной адсорбции газов. Ранее мы рассказывали о том, как химики получили металл-органический каркас, способный селективно адсорбировать диоксид азота и диоксид серы из газовых смесей.

Михаил Бойм