Методы топологического дизайна координационных полимеров

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-73-10116

НазваниеМетоды топологического дизайна координационных полимеров

Руководитель Александров Евгений Викторович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" , Самарская обл

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов

Ключевые слова Координационные полимеры, топологический анализ, изотипность, изомерия, полиморфизм, базы знаний, экспертная система, модель структурной самосборки, электронные проводники, ионные проводники, оптоэлектронные и фотоэлектрические материалы, реакции в твердом теле

Код ГРНТИ31.17.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка материалов, обладающих перспективными электрическими, оптоэлектронными и фотоэлектрическими свойствами, очень популярна и востребована в настоящее время. Это в основном металлические и неорганические проводники первого и второго рода, полупроводники, проводящие полимеры и гибридные материалы. Эти материалы находят приложения в электронике, твердотопливных элементах, ионных батареях, солнечных элементах, сенсорах и детекторах. Также перспективными материалами, обладающими высокой эффективностью разделения зарядов в последние десять лет стали наноматериалы, и в частности нанолисты (графен, BN, MoS2, двойные гидроксиды и др.). Относительно недавно, в начале 2000-ых, стали исследоваться электрические, фотоэлектронные и оптоэлектронные свойства пористых координационных полимеров. И хотя их свойства еще не изучены на должном уровне и пределы использования не установлены, этот класс материалов представляется весьма перспективным, так как для него возможно практически не лимитированное варьирование состава, структуры и свойств. К числу свойств этих материалов, которые можно комбинировать с электропроводностью и фотоэлектрическим эффектом, также относятся магнитная восприимчивость, оптическая активность, адсорбция и разделение газов и жидкостей на молекулярном уровне, каталитическая активность. Один из наиболее простых и доступных методов получения нанообъектов из координационных полимеров представляет жидкофазное диспергирование кристаллов под действием ультразвука. В рамках данного проекта мы уделяем особое внимание базам знаний координационных материалов и поиску корреляций между структурными дескрипторами материалов и их физическими свойствами. Этот подход является новым в материаловедении и является развитием методов автоматизированного кристаллохимического анализа, реализованных в уникальном комплексе программ ToposPro. В связи с этим проект направлен на развитие методов эвристического автоматизированного анализа данных о строении координационных полимеров, баз знаний о свойствах этих веществ, прогнозирование структуры и свойств новых координационных полимеров и их синтез доступными методиками. Созданная ранее база знаний координационных полимеров пополнится информацией об их электронном строении (определенном методами квантовой химии), электронной проводимости, ионной проводимости, изотипности, изомерии, полиморфизме и структурных превращениях в монокристалле. Будет разработана методология поиска оптимальных для требуемых приложений материалов. Расчет электронной структуры позволит установить зонную структуру и оценить вероятность реализации электронных переходов, ответственных за электронную проводимость и фотоэлектрические свойства материала. На основе топологического анализа пор/каналов и расположения нуклеофильных групп в них будут выявлены стереохимические и топологические критерии реализации ионной проводимости в координационных полимерах. На основе анализа геометрии и топологии расположения доступных, реакционноспособных функциональных групп будет создана база данных веществ, потенциально подверженных структурным перестройкам в кристалле. Будут подробно изучены проявления изомерии, изотипности, изоморфизма и полиморфизма координационных полимеров. Важной задачей представляется построение многоуровневой топологической модели формирования кристалла из строительных единиц с выявлением шагов формирования зародышей кристаллов из строительных единиц (кластеров, цепей, слоев и каркасов). Модель основывается на взаимосвязях между этими структурными группировками и мотивами связывания лигандов и атомов металлов или более крупных кластеров и клеток в полимерные структуры. Кроме прямой модели структурообразования, будет разработана обратная модель: физической декомпозиции координационных полимеров. Модель послужит для прогнозирования формы и размеров кристаллов диспергированных в наночастицы, наностержни, нанотрубки, наночешуйки и нанолисты. Разработанная модель формирования и декомпозиции полимерных мотивов и выявленные взаимосвязи между структурными дескрипторами будет использоваться для прогнозирования строения новых координационных полимеров и нанобъектов на их основе. Уточнение стабильности спрогнозированных структур будет производиться квантово-химическими расчетами (методами теории функционала плотности, полуэмперическими методами или методами Хартри-Фока). Спрогнозированные новые кристаллические вещества будут получены простыми в исполнении методами синтеза из доступных реагентов и структурно охарактеризованы. Получаемые координационные полимеры должны обладать следующими полезными свойствами: электронная проводимость на уровне полупроводников или проводников, проводимость по отношению к протонам и катионам металлов, склонность к структурным превращениям в одном монокристалле, способность к предсказуемому диспергированию на нанообъекты требуемых формы и размеров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сунь И., Чэнь С., Ван Ф., Ма Р., Го С., Сунь Ш., Го Х., Александров Е. В. Variation of Topologies and Entanglements in Metal-Organic Frameworks with mixed tris[4-(1H-imidazol-1-yl)phenyl]phosphine oxide and dicarboxylate ligands Dalton Transactions, 16, 48, 5450–5458 (год публикации - 2019)
10.1039/C9DT00249A

2. Кси Л.С., Скорупский Г., Александров Е.В., Прозерпио Д.М., Мирча Д. Diverse π–π stacking motifs modulate electrical conductivity in tetrathiafulvalene-based metal–organic frameworks Chemical Science, 10, 8558-8565 (год публикации - 2019)
10.1039/C9SC03348C

3. Цзян К., Цуй К., Дункан А.Д.Е., Ли Л., Хьюз Р.П., Стаплес Р.Д., Ву Ю., Прозерпио Д.М., Александров Е.В., Ke Ч. Topochemical Synthesis of Single-Crystalline Hydrogen-bonded Crosslinked Organic Frameworks and Their Guest-induced Elastic Expansion Journal of the American Chemical Society, 141. 10915-10923 (год публикации - 2019)
10.1021/jacs.9b05232

4. Гуо М., Ванг Ф., Ма Р., Гуо К., Сун К., Сун Ю., Лиу С., Гуо Х., Александров Е.В. Two novel self-catenated metal-organic frameworks with large accessible channels obtained by mixed-ligand strategy: adsorption of dichromate and Ln3+-post synthetic modification Crystal Growth & Design, 19, 5267-5274 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.cgd.9b00657

5. Ма Р., Гуо К., Сун Ю., Ванг Ф., Сун С., Жоу Т., Лиу С., Гуо Х., Александров Е.В. Assembly of two novel self-catenated metal-organic frameworks from a tripodal N, O-donor ligand: syntheses, structures and properties Inorganica Chimica Acta, 496,119032 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ica.2019.119032

6. Ли Ю.-Л., Александров Е.В., Инь Ц., Ли Л., Фан З.-Б., Юань В., Прозерпио Д. М., Лю Т.-Ф. Record Complexity in the Polycatenation of Three Porous Hydrogen-Bonded Organic Frameworks with Stepwise Adsorption Behaviors Journal of the American Chemical Society, 142, 15, 7218-7224 (год публикации - 2020)
10.1021/jacs.0c02406

7. Махмуди Г., Кубицки М., Чокесильо-Лазарте Д., Мирослав Б., Александров Е.В., Золотарев П.Н., Фронтера А., Сафин Д.А. Supramolecular architectures of Mn(NCS)2 complexes with N'-(1-(pyridin-4-yl)ethylidene)picolinohydrazide and N'-(phenyl(pyridin-4-yl)methylene)isonicotinohydrazide Polyhedron, 114776 (год публикации - 2020)
10.1016/j.poly.2020.114776

8. Соколов А.В., Вологжанина А.В., Барабанова Е.Д., Стефанович С.Ю., Дороватовский П.В., Тайдаков И.В., Александров Е.В. Coordination Properties of Hydroxyisophthalic Acids: Topological Correlations, Synthesis, Structural Analysis, and Properties of New Complexes Chemistry—A European Journal (год публикации - 2021)
10.1002/chem.202100733

Публикации