چارچوب‌های کووالانسی آلی

چارچوب‌های کووالانسی آلی (COF) مواد جامد آلی دو یا سه بعدی با ساختارهای گسترده هستند که در آن بلوک‌ها توسط پیوندهای کووالانسی قوی به هم متصل اند. COFها متخلخل و کریستالی اند و سراسر از عناصر سبک (H , B، C , N و O) ساخته شده‌اند. این عناصر به‌واسطه ایجاد پیوندهای کووالانسی قوی در مواد مفید و پرکاربردی مانند الماس، گرافیت، و نیترید بور شناخته می‌شوند. ساخت مواد COF از بلوک‌های سازندهٔ مولکولی، چارچوب‌های کووالانسی را فراهم می‌کند که به دلیل وزن کم کاربردهای متنوعی دارد.

ساختار

مواد جامد متخلخل بلورین از واحدهای سازنده ثانویه (SBU) تشکیل شده‌اند که برای تشکیل یک چارچوب متناوب و متخلخل کنار یک دیگر قرار می‌گیرند. تعداد بسیار زیادی از چارچوب‌ها از طریق ترکیبات مختلف SBU ایجاد می‌شوند که منجر به خاصیت منحصر به فرد مواد برای کاربردهای جداسازی، ذخیره‌سازی و کاتالیز ناهمگن می‌شوند.
مواد جامد متخلخل بلورین می‌توانند برای توصیف موادی چون زئولیت، چارچوب‌های آلی فلزی (MOF) و چارچوب‌های کووالانسی آلی (COF) به کار روند. زئولیت‌ها مواد معدنی و میکرومتخلخل هستند که عمدتاً از آلومینوسیلیکات تشکیل شده‌اند و عمدتاً در صنایع به عنوان جاذب سطحی کاربرد دارند. MOFها دسته ای از مواد پلیمری متخلخل، متشکل از یون‌های فلزی هستند که توسط لیگاندهای آلی به یکدیگر متصل اند. این مواد پیشرفت جدیدی در ارتباط بین دو حوزهٔ شیمی کوئوردیناسیون مولکولی و علم مواد به‌شمار می‌روند.
COFها دسته ای دیگر از مواد پلیمری متخلخل و بلوری هستند و دارای پیوندهای کووالانسی و معمولاً ساختار صلب اند. این مواد پایداری زیادی در دماهای بالا (تا ۶۰۰ °C) و چگالی کمی دارند. تخلخل دائمی این مواد و سطح ویژهٔ بزرگتر آن‌ها نسبت به زئولیت‌ها و سیلیکات‌های متخلخل، چارچوب‌های کووالانسی آلی را مورد توجه قرار داده‌است.

واحدهای سازنده ثانویه

اصطلاح 'واحد سازنده ثانویه' برای توصیف انتزاعی قطعاتی که همچون آجر ساختمان زئولیت‌ها را می‌سازند، به کار برده می‌شود. در این متن به هندسه واحدهایی اطلاق می‌شود که توسط نقاط گسترش پلیمر مشخص می‌شود. اخیراً، ۲۷۹ واحد سازندهٔ ثانویه جدید به پایگاه داده ساختار بلوری اضافه شده‌است.

سنتز شبکه ای

اگرچه سنتز مواد جدید از دیرباز به عنوان اساسی‌ترین عنصر در پیشرفت فناوری شناخته شده‌است، اما بیشتر به چشم هنر دیده می‌شود تا علم - از این رو که کشف ترکیبات جدید و استفاده از روش‌های سنتز با تعبیراتی چون «لرزش و پختن»، «مخلوط کردن و صبر کردن»، «پاشیدن و له کردن» و «حرارت دادن و ضربه» توسط کارشناسان یاد می‌شود. دلیل این است که مواد اولیه ساختار خود را در طول واکنش حفظ می‌کنند و منجر به همبستگی ضعیفی بین واکنش دهنده‌ها و فرآورده‌ها می‌شود. با این حال، طراحی یک شبکه گسترده که ویژگی‌های ساختاری خود را در طی فرایند ساخت حفظ کند، با استفاده از ساختارهای مولکولی صلب و معین تحقق می‌یابد.
در اصل ، سنتز شبکه ای می‌تواند چنین تعریف شود: فرایند کنار هم چیدن واحدهای سازنده ثانویه معین و حصول ساختارهای از پیش تعیین شده منظم (شبکه‌ها) که توسط پیوندهای قوی به هم متصل اند. این نوع سنتز با سنتز برگشتی ترکیبات آلی متفاوت است زیرا تمامیت ساختاری و استحکام بلوک‌های سازنده در سنتز شبکه ای در طول مراحل بدون تغییر باقی می‌ماند؛ این مزیت مهمی است که در طراحی چارچوب‌های بلوری جامد تحقق می‌یابد. هم‌چنین، سنتز شبکه ای باید متمایز از مونتاژ فرامولکولی شمرده شود، زیرا در روش ذکر شده بلوک‌های سازنده در سرتاسر بلور با پیوند قوی متصل اند.

تخلخل / اثرات سطح

بیشتر مطالعات تا به امروز بر توسعه روش‌های سنتزی با هدف بزرگتر کردن اندازهٔ منافذ و مساحت سطح ذخیره‌سازی گاز متمرکز شده‌اند. این بدان معناست که عملکرد COF هنوز به خوبی مورد بررسی قرار نگرفته‌است، اما COF می‌تواند به عنوان کاتالیزور، یا برای جداسازی گاز و غیره مورد استفاده قرار گیرد.

جداسازی کربن

در سال ۲۰۱۵ استفاده از COFهای بسیار متخلخل به عنوان نوعی کاتالیست برای تبدیل کربن دی‌اکسید به کربن مونوکسید استفاده شد.

تراکم بور

محبوب‌ترین راه سنتز COF یک واکنش تراکم بور است که یک واکنش آب‌زدایی مولکولی در بین اسیدهای بوریک است. برای COF-1، سه مولکول اسید بوریک برای تشکیل یک حلقه شش اتمی B ₃ O ₃ (بوروکسین) مسطح به یکدیگر نزدیک شده و سه مولکول آب حذف می‌شوند.

شناسایی

شناسایی خصوصیات COFها معمولاً سخت‌تر ازMOFها است، زیرا COFها ساختار کریستالی واحد ندارند؛ اما با برخی از روش‌های زیر می‌توان COF را تشخیص داد. پراش اشعه ایکس پودری (PXRD) برای تعیین ساختار به کار می‌رود، مورفولوژی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی می‌گردد و در نهایت تخلخل، به عبارت دیگر سطح ویژه، با ایزوترم N2 اندازه‌گیری می‌شود.