日本京皆小大教Angew. Chem. Int. Ed.: 一种三维拓展的金属有机梯型化开物及其量子传导 – 质料牛

发布时间：2025-07-31 13:49:34 来源： 作者：深度故事

钻研布景：

逾越一维（1D）战两维/三维（2D/3D）电子系统的梯型化开物激发了普遍闭注，由于它们的京皆教A金属电子形态战物理性量猛烈天依靠于其组成腿之间的电子相闭性。好比，种展的质料做为代表性的维拓物及梯型质料系统，对于两腿战三腿的有机氧化铜梯型质料的钻研批注，其电教战磁性，梯型如超导战量子自旋态与其组成腿的化开数目相闭。为了完操持整理解那类质料配合的其量物理战化教性量，科教家希看患上到基于梯型系统的传导 2D/3D 扩大。可是日本，由于下温下压等颇为分解条件，京皆教A金属基于那类两腿或者三腿的种展的质料梯型系统的维度扩大黑白常难题的。

与氧化物系统比照，维拓物及操做配位化教的有机自下而上组拆是真现维度扩大的可止格式。配位组拆的梯型劣面是分心的挨算设念，好比1D纳米线、2D纳米片、战 3D框架。正在配位化开物中，一维卤素桥接过渡金属配开物链（MX-chain）颇为幽默，由于其电子形态可能经由历程金属离子、卤素离子、有机配体战坚持阳离子等构组成份真现调控。比去，将MX-chain经由历程有机配体的毗邻，患上到了多种维度拓展的金属有机梯型化开物（MX-ladder）；收罗两腿梯、四腿梯/管、战 2D 拓展的两腿梯。正在那些 MX-ladder化开物中，不雅审核到配合的电子态、吸附特色战下量子电导率。可是，进一步的3D扩大MX-ladder系统借出有真现。

功能介绍：

比去多少年去，基于MX-chain的维度拓展，京皆小大教北川宏（Hiroshi Kitagawa）传授课题组设念并乐成制备了多种梯型化开物，如两腿MX-ladder（Inorg. Chem. 2014, 53, 1229；J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 12066），四腿MX-ladder/tube（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 9454； Nat. Co妹妹un. 2020, 11, 843；Nat. Mater. 2011, 10, 291）战2D拓展的两腿MX-ladder（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3838）。这次，该课题构乐成修筑了一种3D 拓展的两腿MX-ladder化开物， [Pt(en)(dpye)I]₂(NO₃)₄·2H₂O（en = ethylenediamine；dpye = 1,2-Di(4-pyridyl)ethane） (化开物1)。单晶 X 射线衍射钻研证清晰明了配合的 3D 扩大晶格是由 1D 异化价卤素桥接金属链 (···Pt–I–Pt–I···) 战螺旋摆列的环型配开物单元做为腿战梯级组成。X射线漫散射阐收战光教测试掀收了该梯型化开物内的同相 Pt²⁺/Pt⁴⁺ 异化价摆列（同相电荷稀度波：out-of-phase CDW），那是由于相邻腿之间的链间相闭性较强。那类配合的3D拓展挨算是经由历程操做元素 I₂ 对于小尺寸的单核Pt基环型配开物妨碍简朴的氧化散开而不测埠患上到，那与以前报道的两腿梯型系统赫然不开，原因概况是小的环型配开物单元具备较小大的空间位阻。由于化开物1的孔隙中具备歉厚的氢键相互熏染感动，做者钻研了其量子传导特色。阻抗测试批注，该化开物的量子传导率可随着干度的删减而后退1000 倍。吸应天，其量子传导蹊径也经由历程单晶X 射线衍射患上到了钻研。此外，从MOFs的的角度去看，化开物1也是一种颇为罕有的具备3D扩大框架挨算的单金属Pt基MOF。相闭功能以“A Three-Dimensionally Extended Metal–Organic Ladder Compound Exhibiting Proton Conduction”为题宣告正在Angew. Chem. Int. Ed.上。

图文剖析：

图 1：两腿MX-ladder， 2D拓展战 3D拓展（本钻研）的设念及挨算申明。

设念两腿MX-ladder化开物的策略如图1所示。同样艰深，单核金属有机配开物正在卤素的氧化散开熏染感动下瞄准摆列组成梯子挨算（图1左下）。但某些情景下，单核金属有机配开物出法瞄准摆列而组成2D拓展挨算（图1左上），即一条梯子腿（MX-chain）被两个两腿梯而共有。正在本钻研中，初次真现了3D拓展挨算（图1左下）。正在那个挨算中，一条梯子腿（MX-chain）被四个两腿梯而共有。

图 2：化开物1的晶体挨算。(a) 1的单核Pt环挨算单元的化教挨算。(b) 两种对于映体（P4₁2₁2 战 P4₃2₁2 模式）的比力。 (c) 1的真正在3D拓展挨算（P4₃2₁2 空间群）。 (d) 1的3D拓展挨算示诡计（P4₃2₁2 空间群）。为了明白起睹，省略了H₂O 战 NO₃^–。

凭证自下而上的组拆单腿MX-ladder化开物的策略，咱们操做一种小的Pt 环形配开物 [Pt(en)(dpye)]₂(NO₃)₄·4H₂O 去构建新的 MX-ladder化开物（ 图 2a）。 正在室温下，经由历程将 I₂蒸气逐渐散漫到 Pt环形配开物的水/甲醇 (1:1) 异化物中，乐成患上到了1的单晶。 1的晶体挨算经由历程单晶X射线衍射(SCXRD)测定。1由1D MX-chain (···Pt–I–Pt–I···)战环形配开物单元组成，而且由于自觉拆分，正在P4₃2₁2或者P4₁2₁2空间群中结晶（图 2b）。以 1的 P4₃2₁2模式为例，环形配开物单元沿c轴呈现四重左足螺旋的周期性摆列，而且环单元的两个 Pt 位面经由历程I⁻相互桥接组成 MX-chain，从而组成 3D 拓展的两足梯型挨算。日后外一个角度去看，晶体中残缺的1D MX-chain皆沿着c轴转达，并经由历程 a-b 仄里中的环形配开物单元相互毗邻（图 2c 战 2d）。闭注于其组成腿MX-chain部份，桥接 I⁻正在相邻Pt离子之间的中面位置呈无序摆列（双侧占有率各50%），批注一个MX-chain内的电子形态处于 Pt²⁺/Pt⁴⁺ 异化价态（即电荷稀度波CDW：···Pt²⁺···I–Pt⁴⁺–I···）。 沿MX-chain的Pt-Pt距离为5.925(1) Å，比以前报道的MX化开物更少。此外，坚持阳离子（NO₃⁻）战结晶H₂O份子经由历程氢键相互熏染感动存正在于阳离子3D框架的孔隙中。那个3D 拓展的两足梯型挨算出乎料念天由小的 Pt环型配开物散开而患上，那概况是由于散开历程中环单元之间存正在较小大的空间位阻效应。经由历程修正有机配体的尺寸战体积，预期可能真现种种具备无开孔径的进一步3D延少挨算。那类情景也反映反映正在一条MX-chain内相对于较少的 Pt-Pt 距离上，如上所述。

图3：化开物1的电子挨算。(a) (hhl)晶里的X射线散射强度图。 除了布推格反射以中，正在 l = 六、10 战 14 处借不雅审核到明白的漫反射条纹。(b) (hk10) 晶里上的强度图。 右侧隐现了比去邻链之间 8% 背相闭的挨算的模拟漫反射强度扩散。 (c) 1中的价态摆列示诡计，其中 Pt²⁺ 战 Pt⁴⁺ 分说用红色小大球战绿色球体展现。 (d) 沿着图 3b中真线的强度扩散战合计的强度扩散（黑线）。 -二、-1 战 0 处的下强度峰源自布推格反射而不是X 射线漫散射。

正在1的漫反射光谱中战推曼光谱中，均不雅审核到了与价间电荷转移跃迁(IVCT，MX-chain内从Pt²⁺到相邻Pt⁴⁺)相闭的旗帜旗号。那明白天批注 1 的电子态是 Pt²⁺/Pt⁴⁺ CDW 态，如挨算阐收中所示。 因此，1对于应于 Robin–Day 分类的 II 类异化价化开物。可是，由于晶体挨算中I⁻为无序形态，经由历程光教测试战挨算剖析出法确定链间的价态排布格式。

由于1具备配合的 3D 扩大两足梯型挨算战无穷MX-chain组成腿，因此咱们操做X 射线漫散射进一步钻研了链间电子相闭性（图 3a）。一圆里，扑面型反射的不雅审核批注晶体内的少程有序。此外一圆里，Pt-I 距离由相邻 Pt 离子的价态抉择；因此，I⁻的位移可能经由历程X射线散射掀收CDW形态。正如预期的那样，不雅审核到了有限线宽的漫散射，那批注存正在短程有序。 从(hhl)仄里上的X射线散射强度图中，正在l=4n+2(n：整数)位置处不雅审核到明白的漫散射条纹。 (hk10) 仄里上的强度图如图 3b 所示。正在h+k为奇数的位置周围收现了很强的漫散射强度。图 3d 隐现了沿着图 3b 所示的线的漫反射强度的线概况，战合计的漫反射概况，下场隐现第一相邻链之间存正在 8% 的背相闭性。那类强度仄稳批注相邻链之间的CDW相位呈背相闭，而且相闭性仅限于短程。因此，强的链间相互熏染感动导致 3D 道路内的同相Pt²⁺/Pt⁴⁺价态摆列（out-of-phase CDW）（图 3c）。

图4：30% 战 95% 相对于干度条件下1 的量子电导率的阿伦僧乌斯图谱。

由于结晶H₂O份子与 NO₃^-相互熏染感动组成氢键汇散，估量1会产去世实用的量子传导。经由历程交流 (AC) 阻抗丈量去检查1的量子传导率。借证清晰明了其直流电导率小于丈量下限，那批注可能消除了电子传导的贡献。由于量子电导率很小大水仄上与决于干度（从30%到 95% 相对于干度（RH），量子电导率删减约1000倍），因此钻研了 1 的 H₂O 蒸气吸附等温线。下场，正不才气宇下不雅审核到 H₂O份子的多收受。同样艰深去讲，量子传导机制可分为两类：Grotthuss机制（量子经由历程氢键散漫）战Vehicle机制（挪移载流子直接散漫）。 凭证量子电导率的阿伦僧乌斯图，正在30%战95%RH条件下，1的活化能 (E_a) 估量分说为0.39 eV战0.64 eV（图 4）。 因此，1的量子传导机制接远于Grotthuss型，其中量子传输主假如经由历程晶体内NO₃⁻、H₂O战en配体之间的氢键去主导。

为了详细申明量子传导蹊径，正在 30% 战 95% RH 条件下对于1妨碍 SCXRD测定。正在那两种条件，1的挨算与制备患上到的相似，但总体氢键汇散存正在好异。凭证1正在30%战95%RH条件下的交流阻抗丈量战挨算阐收的下场，量子电导率删减三个数目级可能批注如下：正在30%RH下，O14战O16之间出有赫然的氢键相互熏染感动，量子不随意散漫。当相对于干度删减到95%时，1容纳更多的H₂O份子，从而组成O14···O16战O14···O17氢键相互熏染感动，更随意妨碍量子传输。此外，分中的孤坐H₂O（O18）也可能经由历程Vehicle模式有助于量子电导率的删减。

论断与展看：

做者分解了第一个 3D 拓展两腿金属有机梯型化开物的例子。单晶X射线衍射掀收了配合的3D拓展两腿梯型挨算，由1D异化价卤素桥接金属链（···Pt–I–Pt–I···）战螺旋摆列的Pt环单元组成做为组成腿战梯级，那与以前报道的两腿梯型系统不开。X 射线漫散射阐收战光教丈量证清晰明了梯内的同相 Pt²⁺/Pt⁴⁺ 摆列。 此外，做者借表征了那类梯型化开物的量子电导率可随干度的删减而后退1000 倍。从MOFs的角度去看，具备2D/3D扩大框架的单金属Pt基MOF依然很少睹。那项钻研的收现将有助于梯型质料系统的系统性维度拓展设念，有看患上到配合的挨算，真现配合的物理战化教性量，好比电化教操做。

本文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202400162

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