在化学与材料科学的前沿领域,金属有机框架(Metal-Organic Frameworks,简称MOFs)因其独特的结构、高比表面积和可调控的孔道环境,受到了科研工作者们的广泛关注,MOFs是由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键自组装形成的具有周期性网络结构的晶态多孔材料,在探索和合成新型MOFs的过程中,一种名为BTC的配体及其衍生的MOFs成为了研究的热点,BTC本身是金属有机框架吗?答案是否定的,但它是构建众多重要MOFs材料的关键基石。

我们需要明确BTC是什么,BTC,全称为1,3,5-均苯三甲酸(Benzene-1,3,5-tricarboxylic acid),也常被称为均苯三甲酸或 trimesic acid,它是一种有机化合物,分子式为C9H6O6,结构中包含一个苯环环,在1、3、5位置上各连接一个羧基(-COOH),从这个定义可以看出,BTC仅仅是一种有机小分子,即有机配体前体,它本身不具备金属离子,也没有形成配位网络结构,因此它不是金属有机框架。

BTC的价值在于其卓越的配位能力,BTC分子中含有三个羧基,这些羧基上的氧原子可以作为配位原子,与金属离子(如Zn²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe³⁺等)发生配位作用,形成稳定的金属-有机配位键,当BTC作为有机配体,与适当的金属盐在适宜的反应条件下(如 solvothermal 法)进行反应时,BTC的三个羧基可以桥联多个金属中心,而金属中心又可以连接多个BTC配体,从而延伸形成具有规则孔道和周期性结构的金属有机框架。

以BTC为配体合成的最著名、研究最广泛的MOFs之一就是

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MIL系列材料,例如MIL-100(Cr)和MIL-101(Cr),MIL-100(Cr)是由三价铬离子簇与BTC配体形成的具有两种不同尺寸笼状孔道的MOFs材料,其比表面积巨大,在气体吸附、分离和催化等领域展现出优异的性能,MIL-101(Cr)则具有更大的超笼和更高的比表面积,是MOFs领域中里程碑式的材料之一,还有许多基于BTC或其他类似三羧酸配体的MOFs被不断开发出来,应用于气体储存(如氢气、甲烷)、二氧化碳捕获、药物输送、传感器、催化反应等多个方面。

我们可以这样理解BTC与MOFs的关系:BTC是“原料”或“建筑块”,而MOFs则是用这种“原料”加上“金属离子”这个“连接件”搭建起来的“宏伟建筑”,BTC本身不是建筑,但没有它,许多标志性建筑(MOFs)就无法建成,BTC的刚性平面结构、对称的三羧基排列以及良好的配位几何适应性,使其成为构建高维、高稳定性和高比表面积MOFs的理想配体之一。

BTC(1,3,5-均苯三甲酸)本身是一种有机配体,并非金属有机框架,它是合成一系列具有重要应用前景的金属有机框架材料的核心有机构建单元,正是通过BTC与金属离子的巧妙配位,才构筑出了那些结构新颖、功能多样的MOFs家族成员,使其在材料科学领域大放异彩,虽然BTC不是MOFs,但它在MOFs的发展历程中扮演着不可或缺的重要角色,是名副其实的“璀璨明珠”之一。