Há uma necessidade urgente de controlar os materiais em nível molecular para fazer "materiais sob demanda". Uma estratégia para desenvolver tais materiais está em desenvolvimento na química reticular, derivado da tradução latina "retículo" como "tendo a forma de uma rede". A estratégia vincula unidades de construção discretas (moléculas e clusters) por meio de ligações para formar estruturas cristalinas grandes e estendidas. Estruturas metal-orgânicas (MOFs) são a classe de materiais mais proeminente no reino da química reticular. Tão cristalino, estruturas estendidas são construídas juntando grupos polinucleares inorgânicos conhecidos como unidades de construção secundárias (SBUs) e ligantes orgânicos por meio de ligações fortes.

As últimas duas décadas testemunharam um crescimento explosivo no campo dos MOFs, com mais de 84, 185 estruturas MOF documentadas no Cambridge Crystallographic Data Center. Uma coleção de artigos sobre a síntese, A estrutura e a aplicação dos MOFs continuam a ser publicadas todos os anos. A abordagem SBU tem avançado a química do MOF como o contribuidor mais significativo para o rápido desenvolvimento observado no campo. Muitas sínteses de MOF, investigações e aplicações são derivadas da abordagem SBU. Agora, revisando o campo da química MOF para Avanços da Ciência , Markus Kalmutzki, Nikita Hankel e Omar M. Yaghi - recentemente agraciado com o Prêmio BBVA Foundation of Frontiers of Knowledge na categoria Basic Sciences - consideram a história dos MOFs e suas aplicações que surgiram por meio da abordagem SBU.

Estruturas metal-orgânicas (MOFs) são uma classe fascinante de materiais altamente porosos. Eles são estruturalmente compostos de íons metálicos / aglomerados e ligantes orgânicos para uma diversidade funcional promissora em uma variedade de campos. As propriedades incluem sua cristalinidade única, porosidade ajustável e diversidade estrutural. O desempenho dos MOFs foi destacado em diversas aplicações, como armazenamento de gás, detecção de catálise e liberação de drogas. Em particular, SBUs desempenham um papel importante na absorção de vapor, conforme relatado com alta absorção de água. A diversidade estrutural de MOFs depende de SBUs com trabalho futuro projetado para aplicações industriais, incluindo absorção e separação de gás, captando água do ar, bioimagem e terapêutica.

Por design, nós de cluster polinuclear, também conhecido como SBUs, são capazes de transmitir (1) estabilidade termodinâmica por meio de fortes ligações covalentes e (2) estabilidade mecânica / arquitetônica por fortes ligações direcionais que podem bloquear a posição de centros de metal em estruturas metal-orgânicas. Esta propriedade contrasta com aquelas de nós de metal único instáveis ​​e não direcionais que formaram ligações fracas com ligantes doadores orgânicos neutros.

Em contraste com o método imprevisível da química orgânica sintética tradicional, onde pouca ou nenhuma correlação existe entre a estrutura dos materiais de partida e produtos, maior previsibilidade existe na química do MOF, como eles são projetados com topologias predeterminadas. No processo sintético, as unidades de construção química necessárias para construir a rede selecionada são determinadas. A diversidade estrutural observada na química do MOF origina-se de uma ampla variedade de geometrias SBU disponíveis; estruturas específicas podem ser projetadas escolhendo unidades de construção de forma e tamanho apropriados.

Os autores, então, detalharam diversos métodos de síntese de MOF, sua complexidade, estruturas e aplicações químicas originadas de unidades de construção secundárias durante o desenvolvimento do MOF. Na prática, Os MOFs podem ser usados ​​para armazenamento e separação de gás com implicações específicas para separar o dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa para a sustentabilidade ambiental. Estruturas de metal orgânico também podem formar catalisadores heterogêneos versáteis para transformações orgânicas eficientes, ser usado como sensores luminescentes e na entrega de carga de drogas para terapia de câncer.

Aplicativos em diversos campos foram habilitados pela porosidade inerente aos MOFs, tornado possível pela abordagem SBU. A natureza química inerente aos MOFs e SBUs que levou ao desenvolvimento das propriedades de adsorção, a separação e a catálise foram então dissecadas mais adiante na revisão. A acessibilidade do espaço de poro dentro de estruturas de framework abertas possibilitou os aplicativos observados para MOFs em diferentes campos. A base para MOFs está relacionada à capacidade de manipular matéria com uma precisão até então conhecida apenas em química molecular bem estabelecida.

A cristalinidade e a porosidade da estrutura foram totalmente preservadas durante a construção, levando ao desenvolvimento de "cristais como moléculas". A introdução da abordagem SBU foi um ponto de viragem que permitiu a extensão da química de precisão de complexos moleculares e polímeros em estruturas 2-D e 3-D, projetar estruturas racionais usando unidades de construção funcionais. Avanços recentes no campo da síntese de MOF confirmam o potencial de traduzir propriedades de unidades de construção funcionais em uma estrutura estrutural. Essas propriedades incluem caráter ótico linear e não linear, magnetismo, condutividade e catálise. Avanços recentes na química computacional também podem ajudar a compreender as propriedades dos materiais e prever estruturas que podem ser construídas com o personagem-alvo.

A complexidade e a heterogeneidade podem ser integradas nos MOFs, conforme proposto recentemente, para explorar e analisar seu impacto na estrutura e nas propriedades resultantes, no futuro. Tanto a complexidade quanto a heterogeneidade permitem expandir ainda mais o escopo das estruturas, fornecer acesso a materiais com grande potencial para maior desempenho. O controle da distribuição espacial de diferentes funcionalidades orgânicas e íons metálicos pode levar a sequências de design dentro ou ao longo do backbone MOF. Os arranjos espaciais esperados podem ser alcançados integrando vários SBUs com padrões de ligação específicos diretamente na formação da estrutura para um único material, ou por meio de métodos pós-sintéticos. A realização dessa visão pode dar origem a materiais específicos de sequência projetados em MOFs para realizar as funções pretendidas. A introdução do SBU marca um ponto de inflexão no desenvolvimento da química do MOF - e continuará a desempenhar um papel fundamental em seu desenvolvimento futuro para acessar novas estruturas, propriedades e aplicações.

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