Raumnetzstrukturen: Chemischer Gerüstbau

Kristalline Feststoffe mit offenen Gerüststrukturen (englisch „open framework structures“) sind nicht aus sich periodisch wiederholenden Anordnungen von Ionen oder Molekülen aufgebaut, sondern aus dreidimensionalen Netzen (Raumnetzstrukturen). Sie enthalten strukturimmanent offene Hohlräume und Kanäle. Am längsten sind Zeolithe und Cyanometallate (Berliner Blau) bekannt. Das Spektrum an Gerüststrukturen wurde jedoch in den letzten Jahrzehnten durch neue chemischen Zusammensetzungen erheblich erweitert, wie etwa den metallorganischen (MOF) oder organischen Gerüststrukturen (COF). Im Fokus dieses Artikels stehen gemeinsame Konstruktionsprinzipien, nicht jedoch Synthesen und Eigenschaften der einzelnen Stoffklassen.

Zusammenfassung

In Feststoffen mit dreidimensionalen Netzwerkstrukturen („Gerüststrukturen“) sind Verbindungselemente („Linker“) mit Kupplungen („Knoten“) durch gerichtete Bindungen verknüpft. Als Knoten kommen Metallionen oder Metallcluster mit Koordinationszahlen > 2 in Frage, in organischen Gerüststrukturen auch organische Baugruppen mit definierter räumlicher Anordnung von funktionellen Gruppen. Linker können einfache anorganische Gruppen sein (Sauerstoff in Zeolithen oder Aluminophosphaten, CN in Cyanometallaten), aber auch organische Gruppen unterschiedlicher Größe und Funktionalität (wie in zeolithischen Imidazolaten, metallorganischen und organischen Gerüststrukturen). Die Vielfalt von Netzwerkstrukturen wird erheblich größer, wenn nicht nur die Knoten sondern auch die Linker mehr als zwei Verknüpfungen eingehen können. Charakteristisch für Gerüststrukturen sind nicht nur die Netzwerk-Topologien, sondern auch offene, zu Kanalsystemen verbundene Hohlräume.

Summary

In solids with three-dimensional framework structures, connecting and linking elements are combined by means of directed bonds. Metal ions or metal clusters with coordination numbers > 2 are possible as connectors, in organic framework structures also organic building blocks with a defined spatial arrangement of functional groups. Linkers can be simple inorganic moieties (oxygen in zeolites or aluminophosphates, CN in cyanometallates), but also organic groups of different size and functionality (in zeolitic imidazolates, metal-organic and organic framework structures). The diversity of possible network structures is considerably increased, if both the connectors and linkers are capable of forming more than two linkages. Not only the network topologies are characteristic of framework structures, but also the channel systems resulting from the interconnection of open cavities.

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