Impact of Shape Persistence on the Porosity of Molecular Cages

化学 多孔性 持久性(不连续性) 结晶学 化学物理 有机化学 岩土工程 地质学
作者
Timothy P. Moneypenny,Nathan P. Walter,Zhikun Cai,Yurun Miao,Danielle L. Gray,Jordan J. Hinman,Semin Lee,Yang Zhang,Jeffrey S. Moore
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (8): 3259-3264 被引量:45
标识
DOI:10.1021/jacs.7b00189
摘要

Porous materials provide a plethora of technologically important applications that encompass molecular separations, catalysis, and adsorption. The majority of research in this field involves network solids constructed from multitopic constituents that, when assembled either covalently or ionically, afford macromolecular arrangements with micro- or meso-porous apertures. Recently, porous solids fabricated from discrete organic cages have garnered much interest due to their ease of handling and solution processability. Although this class of materials is a promising alternative to network solids, fundamental studies are still required to elucidate critical structure-function relationships that govern microporosity. Here, we report a systematic investigation of the effects of building block shape-persistence on the porosity of molecular cages. Alkyne metathesis and edge-specific postsynthetic modifications afforded three organic cages with alkynyl, alkenyl, and alkyl edges, respectively. Nitrogen adsorption experiments conducted on rapidly crystallized and slowly crystallized solids illustrated a general trend in porosity: alkynyl > alkenyl > alkyl. To understand the molecular-scale origin of this trend, we investigated the short and long time scale molecular motions of the molecular cages using ab initio molecular dynamics (AIMD) and classical molecular dynamics (MD) simulations. Our combined experimental and computational results demonstrate that the microporosity of molecular cages directly correlates with shape persistence. These findings discern fundamental molecular requirements for rationally designing porous molecular solids.

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