2D structures based on metal phosphonates; relationships between arrangement and properties studied by molecular simulations methods

Abstract

Tato práce se zabývá strukturní analýzou vrstevnatých sulfofenylfosfonátů zirkonia a jejich interkalátů za pomoci metod klasických molekulárních simulací. V rámci práce byla určena vnitřní struktura plně i částečně sulfonovaných vrstev v souladu s výsledky dostupných experimentálních metod, zejména chemické analýzy, termogravimetrických měření a rentgenové difrakce. Výpočty objasnily pozici molekul vody v rovině sulfo skupin, které výrazně ovlivňují výsledný difrakční záznam. Dále bylo vyřešeno uspořádání vrstev zirkonium sulfofenylfosfonátu interkalovaných opticky aktivními molekulami na bázi dipyridylaminu a kationty sodíku, mědi a železa vzhledem k výsledkům experimentů a hodnotám potenciální energie. V případě modelů dipyridylaminu a jeho derivátů byla výsledkem částečně neuspořádaná struktura interkalovaných organických molekul v mezivrství, jež ovlivňuje celkový dipólový moment interkalátu. Z tohoto hlediska byl vybrán nitro derivát jakožto nejvhodnější materiál pro možné využití v nelineární optice. U modelů interkalovaných kationtů zaujímá sodík původní pozice vody podél rovin sulfo skupin, kdežto kationty mědi a železa jsou distribuovány v řadě uprostřed mezivrství zirkonium sulfofenylfosfonátu.

This work deals with the structural analysis of layered zirconium sulfophenylphosphonates and their intercalates with the use of the classical molecular simulation methods. The inner composition of both fully and partially sulfonated layers was determined in agreement with available experimental data, especially chemical analysis, thermogravimetric measurements and X-ray diffraction. The calculations revealed the positions of the water molecules in the planes of sulfo groups which strongly affect the resultant diffraction pattern. Within the zirconium sulfophenylphosphonate layered structure, the arrangements of intercalated species based on optically active dipyridylamine molecules and cations of sodium, copper and iron were solved with the respect to the agreement with experimental results and values of potential energy. In case of the dipyridylamine molecules and its derivatives, the resultant disordered partially row arrangements of the organic molecules in the interlayer were showed to influence the dipole moment of the intercalate. From this point of view, nitro-derivative has been picked out as the most suitable for potential applications. Regarding the intercalated cations, sodium cations take up the space of water molecules next to the sulfo groups while copper and iron cations are distributed in a...