Compuesto de clatrato

Un clatrato es una sustancia química que consiste en una red que atrapa o contiene moléculas. La palabra clatrato se deriva del latín clathratus ( clatratus ), que significa 'con barras, enrejado '. ^[1] La mayoría de los compuestos de clatrato son poliméricos y envuelven completamente a la molécula huésped, pero en el uso moderno los clatratos también incluyen complejos huésped-anfitrión y compuestos de inclusión . ^[2] Según la IUPAC , los clatratos son compuestos de inclusión "en los que la molécula huésped está en una jaula formada por la molécula huésped o por una red de moléculas huésped". ^[3] El término se refiere a muchos huéspedes moleculares, incluidos los calixarenos y las ciclodextrinas e incluso algunos polímeros inorgánicos como las zeolitas .

Los clatratos se pueden dividir en dos categorías: hidratos de clatrato y clatratos inorgánicos. Cada clatrato está formado por una estructura y huéspedes que residen en la estructura. Las estructuras cristalinas de clatrato más comunes pueden estar compuestas por cavidades como cavidades dodecaédricas , tetracaidecaédricas y hexacaidecaédricas .

La fracción molar de agua de la mayoría de los hidratos de clatrato es del 85%. Los hidratos de clatrato se derivan de estructuras orgánicas unidas por enlaces de hidrógeno . Estas estructuras se preparan a partir de moléculas que se "autoasocian" mediante múltiples interacciones de enlaces de hidrógeno. Las moléculas pequeñas o los gases (es decir, metano , dióxido de carbono , hidrógeno ) pueden quedar atrapados como huéspedes en los hidratos. La relación huésped/huésped ideal para los hidratos de clatrato varía de 0,8 a 0,9. La interacción del huésped con el huésped está limitada a las fuerzas de van der Waals . Existen ciertas excepciones en los semiclatratos donde los huéspedes se incorporan a la estructura del huésped a través de enlaces de hidrógeno con la estructura del huésped. Los hidratos se forman a menudo con un llenado parcial del huésped y colapsan en ausencia de huéspedes que ocupen las jaulas de agua. Al igual que el hielo, los hidratos de clatrato son estables a bajas temperaturas y alta presión y poseen propiedades similares como la resistividad eléctrica. Los hidratos de clatrato se producen de forma natural y se pueden encontrar en el permafrost y los sedimentos oceánicos. Los hidratos también se pueden sintetizar a través de la cristalización de semillas o utilizando precursores amorfos para la nucleación. ^[4]

A diferencia de los hidratos, los clatratos inorgánicos tienen una estructura de átomos inorgánicos unidos covalentemente con huéspedes que normalmente consisten en metales alcalinos o alcalinotérreos . Debido al enlace covalente más fuerte, las jaulas son a menudo más pequeñas que los hidratos. Los átomos huéspedes interactúan con el anfitrión mediante enlaces iónicos o covalentes. Por lo tanto, la sustitución parcial de los átomos huéspedes sigue las reglas de Zintl para que se conserve la carga del compuesto general. La mayoría de los clatratos inorgánicos tienen una ocupación completa de sus jaulas de estructura por un átomo huésped para estar en fase estable. Los clatratos inorgánicos se pueden sintetizar por reacción directa utilizando molienda de bolas a altas temperaturas o altas presiones. La cristalización a partir de la masa fundida es otra ruta de síntesis común. Debido a la amplia variedad de composición de las especies huésped y huésped, los clatratos inorgánicos son mucho más diversos químicamente y poseen una amplia gama de propiedades. En particular, se puede encontrar que los clatratos inorgánicos son tanto un aislante como un superconductor (Ba ₈ Si ₄₆ ). Una propiedad común de los clatratos inorgánicos que ha atraído a los investigadores es su baja conductividad térmica . La baja conductividad térmica se atribuye a la capacidad del átomo huésped de "traquetear" dentro de la estructura del anfitrión. La libertad de movimiento de los átomos huéspedes dispersa los fonones que transportan calor. ^[4]

Los clatratos se han explorado para muchas aplicaciones, entre ellas: almacenamiento de gas, producción de gas, separación de gas, desalinización , termoelectricidad , energía fotovoltaica y baterías.

• Los compuestos de clatrato con fórmula A ₈ B ₁₆ X ₃₀ , donde A es un metal alcalinotérreo , B es un elemento del grupo III y X es un elemento del grupo IV se han explorado para dispositivos termoeléctricos. Los materiales termoeléctricos siguen una estrategia de diseño llamada concepto de cristal electrónico de vidrio de fonón . ^{[6] [7]} Se desea una baja conductividad térmica y alta conductividad eléctrica para producir el efecto Seebeck . Cuando la estructura huésped y anfitriona están adecuadamente sintonizadas, los clatratos pueden exhibir baja conductividad térmica, es decir, comportamiento de vidrio de fonón , mientras que la conductividad eléctrica a través de la estructura anfitriona no se altera, lo que permite que los clatratos exhiban cristal electrónico .
• Los clatratos de metano presentan la estructura de enlaces de hidrógeno aportada por el agua y las moléculas huésped de metano. Existen grandes cantidades de metano congelado naturalmente en esta forma tanto en formaciones de permafrost como bajo el lecho marino. ^[8] Otras redes de enlaces de hidrógeno se derivan de la hidroquinona , la urea y la tiourea . Una molécula huésped muy estudiada es el compuesto de Dianin .

• Los clatratos de Hofmann son polímeros de coordinación con la fórmula Ni(CN) ₄ ·Ni(NH ₃ ) ₂ (areno). Estos materiales cristalizan con pequeños huéspedes aromáticos (benceno, ciertos xilenos), y esta selectividad se ha explotado comercialmente para la separación de estos hidrocarburos. ^[2] Los marcos organometálicos (MOF) forman clatratos.

Los hidratos de clatrato fueron descubiertos en 1810 por Humphry Davy . ^[9] Los clatratos fueron estudiados por P. Pfeiffer en 1927 y en 1930, E. Hertel definió los "compuestos moleculares" como sustancias descompuestas en componentes individuales siguiendo la ley de acción de masas en estado de solución o gas. Los hidratos de clatrato fueron descubiertos por Hammerschmidt en 1934 como formadores de bloqueos en los gasoductos, lo que condujo a un aumento de la investigación para evitar la formación de hidratos. ^[10] En 1945, HM Powell analizó la estructura cristalina de estos compuestos y los denominó clatratos . Desde entonces, se ha realizado la producción de gas a través de hidratos de metano y se ha probado para la producción de energía en Japón y China. ^[4]

Los compuestos de inclusión suelen ser moléculas, mientras que los clatratos son típicamente poliméricos ^{[ cita requerida ]} . Los compuestos de intercalación no son tridimensionales, a diferencia de los compuestos de clatrato. Los compuestos enjaulados fotolíticamente sensibles se han examinado como contenedores para liberar un fármaco o reactivo . ^[11]

Las zeolitas son otro tipo de estructuras cristalinas que forman un marco con cavidades en las que pueden residir especies huésped. A diferencia de los clatratos, las zeolitas se definen por la unión en forma de tetraedro de cuatro átomos de oxígeno que rodean a un catión. ^{[ cita requerida ]} Los huéspedes tampoco necesitan llenar las cavidades abiertas. Las estructuras de las zeolitas se definen por las diversas unidades de construcción del marco, a diferencia de las estructuras de cavidades en los clatratos. Se han explorado aplicaciones similares.

Los clatrasiles de sílice son compuestos estructuralmente similares a los hidratos de clatrato con una estructura de SiO2 _y se pueden encontrar en una variedad de sedimentos marinos. ^[12]

• Pinzas moleculares
• Hidrato de clatrato

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