Сотрудничество специалистов по теоретической и синтетической химии позволило прийти к новому пониманию природы металлоорганических каркасных структур [metal-organic frameworks (MOFs)] и разработать новые многообещающие соединения для хранения метана.

Металлоорганические каркасные структуры представляют собой пористые материалы, получающиеся из различных структурных блоков, что и объясняет их структурное многообразие. И, хотя это структурное разнообразие позволяет использовать металлоорганические каркасные структуры во многих областях, включая хранение метана в топливных баках, это же разнообразие приводит к тому, что часто найти оптимальную каркасную структуру бывает не легче, чем найти иголку в стогу сена.

Рис. 1. Компьютерная программа подвергла скринингу 140000
металлоорганических каркасных структур и выбрала наиболее
эффективные системы для хранения метана. (Рисунок из Nat. Chem.,
2011, DOI: 10.1038/nchem.1192).

Специалист по синтетической химии из Северо-западного Университета (Иллинойс) Омар Фара (Omar Farha) решил выбрать наиболее эффективные металлоорганические каркасные структуры. Для решения этой задачи его коллега Крис Уилмер (Chris Wilmer) провел скрининг 102 строительных блоков, комбинация которых позволяет получить около 140000 различных металлоорганических каркасных структур. По словам Фары, в настоящее время в литературе сообщается о синтезе всего лишь десяти тысяч таких систем, и компьютерный анализ потенциально доступных металлоорганических позволит химикам-синтетикам перестать подбирать подходящие структуры методом проб и ошибок.

Омар Фара выбрал наилучшие металлоорганические каркасные структуры – кандидаты в материалы для хранения метана и продемонстрировал не только то, что теоретически предсказанное значение абсорбции метана совпадало с экспериментально определенной величиной, но и то, что

металлоорганическая каркасная система, синтезированная по результатам теоретического моделирования, бьет существующие рекорды по абсорбции метана. Новый материал поглощает 213 мл углекислого газа на один кубический сантиметр каркасной структуры, а существующий к настоящему времени рекорд составляет 180 мл углекислого газа на один кубический сантиметр абсорбента.

Значит ли это, что свойства всех химических систем в настоящее время можно предсказать с помощью компьютерного моделирования? Фара говорит, что хотя современная расчетная химия может многое, химическая интуиция все еще продолжает иметь решающее значение. Он отмечает, что программа может предложить для решения определенных задач какое-либо вещество, но только химик поймет – насколько реально и практично это предложение.

Тем не менее, следующий этап исследования, который собираются предпринять исследователи из группы Фары – смоделировать и предсказать металлоорганические каркасные структуры, способные селективно поглощать газы, более сложные, чем углекислый газ.