クラスレート化合物

クラスレートは、分子を捕捉または包含する格子からなる化学物質である。クラスレートという単語は、ラテン語のclathratus ( clatratus )に由来し、「棒状の、格子状の」を意味する。^[1]ほとんどのクラスレート化合物はポリマーであり、ゲスト分子を完全に包み込むが、現代の用法では、クラスレートにはホスト-ゲスト複合体および包接化合物も含まれる。^[2] IUPACによると、クラスレートは「ゲスト分子がホスト分子またはホスト分子の格子によって形成されたケージ内にある」包接化合物である。^{[3]この用語は、}カリックスアレーンやシクロデキストリン、さらにはゼオライトなどの一部の無機ポリマーを含む多くの分子ホストを指す。

クラスレートは、クラスレート水和物と無機クラスレートの 2 つのカテゴリに分類できます。各クラスレートは、フレームワークとフレームワークに存在するゲストで構成されます。最も一般的なクラスレート結晶構造は、12 面体、14 面体、16 面体の空洞で構成できます。水和物とは異なり、無機クラスレートは、無機原子の共有結合フレームワークと、通常アルカリ金属またはアルカリ土類金属からなるゲストを持ちます。共有結合が強いため、ケージは水和物よりも小さいことがよくあります。ゲスト原子は、イオン結合または共有結合によってホストと相互作用します。したがって、ゲスト原子の部分的な置換はZintl則に従い、化合物全体の電荷が保存されます。ほとんどの無機クラスレートは、ゲスト原子によってフレームワーク ケージが完全に占有されて安定相になります。無機クラスレートは、高温または高圧でボールミル処理を使用した直接反応によって合成できます。溶融物からの結晶化は、もう 1 つの一般的な合成経路です。ホスト種とゲスト種の組成が多種多様であるため、無機クラスレートは化学的に非常に多様で、さまざまな特性を持っています。最も顕著なのは、無機クラスレートが絶縁体と超伝導体の両方であることです (Ba ₈ Si ₄₆ )。研究者を魅了する無機クラスレートの共通特性は、低い熱伝導率です。低い熱伝導率は、ゲスト原子がホストフレームワーク内で「ガタガタ」と動く能力に起因します。ゲスト原子が自由に動くことで、熱を輸送するフォノンが散乱します。^[4]

クラスレートは、ガス貯蔵、ガス生産、ガス分離、淡水化、熱電、太陽光発電、電池 など、多くの用途で研究されてきました。

• 化学式A ₈ B ₁₆ X ₃₀で表されるクラスレート化合物（Aはアルカリ土類金属、BはIII 族元素、XはIV 族元素）は、熱電デバイス用として研究されてきました。熱電材料は、フォノンガラス電子結晶コンセプトと呼ばれる設計戦略に従います。^{[6] [7]}ゼーベック効果を生み出すには、低い熱伝導率と高い電気伝導率が望まれます。ゲストフレームワークとホストフレームワークが適切に調整されている場合、クラスレートは低い熱伝導率、つまりフォノンガラス挙動を示すことができ、ホストフレームワークを通る電気伝導性は妨げられず、クラスレートは電子結晶を示すことができます。
• メタンクラスレートは、水とメタンのゲスト分子によって構成される水素結合構造を特徴とする。この形で自然に凍結したメタンは、永久凍土層と海底の両方に大量に存在する。^{[8]その他の水素結合ネットワークは、}ハイドロキノン、尿素、チオ尿素に由来する。よく研究されているホスト分子は、ディアニンの化合物である。

• ホフマンクラスレートは、化学式Ni(CN) ₄ ·Ni(NH ₃ ) _{2 (アレーン)で表される}配位ポリマーです。これらの材料は小さな芳香族ゲスト(ベンゼン、特定のキシレン)と結晶化し、この選択性はこれらの炭化水素の分離に商業的に利用されてきました。^[2]金属有機構造体(MOF)はクラスレートを形成します。

• 分子ピンセット
• クラスレート水和物

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