Cooperative Bond Scission in a Soft Porous Crystal Enables Discriminatory Gate Opening for Ethylene over Ethane

化学 乙烯 分子间力 结晶学 化学物理 多孔介质 多孔性 吸附 纳米技术 分子 催化作用 材料科学 物理化学 有机化学
作者
Susan Sen,Nobuhiko Hosono,Jia-Jia Zheng,Shinpei Kusaka,Ryotaro Matsuda,Shigeyoshi Sakaki,Susumu Kitagawa
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (50): 18313-18321 被引量:59
标识
DOI:10.1021/jacs.7b10110
摘要

Here we report a soft porous crystal possessing hemilabile cross-links in its framework that exhibits exclusive gate opening for ethylene, enabling the discriminatory adsorption of ethylene over ethane. A Co-based porous coordination polymer (PCP) bearing vinylogous tetrathiafulvalene (VTTF) ligands, [Co(VTTF)], forms Co-S bonds as intermolecular cross-links in its framework in the evacuated closed state. The PCP recognizes ethylene via d-π complexation on the accessible metal site that displaces and cleaves the Co-S bond to "unlock" the closed structure. This ethylene-triggered unlocking event facilitates remarkable nonporous-to-porous transformations that open up accessible void space. This structural transformation follows a two-step gate-opening process. Each phase, including the intermediate structure, was successfully characterized by single-crystal X-ray diffraction analysis, which revealed an intriguing "half-open" structure suggestive of a disproportionate gate-opening phenomenon. The gate-opening mechanism was also investigated theoretically; density functional theory and Monte Carlo calculations revealed that the unique "half-open" phase corresponds to a substantially stable intermediate over the possible transformation trajectories. While ethylene opens the gate, ethane does not because it is unable to coordinate to the Co center. This feature is maintained even at pressures above 1 MPa and at a temperature of 303 K, demonstrating the potential of the "gate-locking/unlocking" mechanism that exploits the hemilabile cross-linking in soft porous crystals.
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