โครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์

โครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ () หมายถึง โครงข่ายในระดับโมเลกุลที่เกิดจากการสร้างพันธะระหว่างไอออนของโลหะและสารอินทรีย์จนเกิดเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่เป็นโครงข่าย (framework) ต่อเนื่องไม่สิ้นสุดหรือโครงข่ายอนันต์ (infinite framework) โดยทั่วไปสารอินทรีย์มักจะเป็นสารที่เป็นโมเลกุลแข็งเกร็ง (rigid molecule) เช่น กรด 1,4−เบนซีนไดคาร์บอกซิลิก กรด 1,3,5−เบนซีนไตรคาร์บอกซิลิก 4,4’−ไบพิริดีน เป็นต้น วัสดุโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายแนว อาทิ การเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาU. Ravon, M. E. Domine, C. Gaudillere, A. Desmartin-Chomel and D. Farrusseng, (2008). "MOFs as acid catalysts with shape selectivity properties". New J. Chem. 32: 937. doi:10.1039/B803953B.http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2008/NJ/b803953b S. Horike, M. Dinca, K. Tamaki and J. R. Long, (2008). "Size-Selective Lewis-Acid Catalysis in a Microporous Metal-Organic Framework with Exposed Mn2+ Coordination Sites". J. Am. Chem. Soc. 130: 5854. doi:10.1021/ja800669j http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja800669j การกักเก็บแก๊ส Jiří Čejka (ed.) "Metal-Organic Frameworks Applications from Catalysis to Gas Storage" Wiley-VCH, Weinheim, 2011. 392 pp. ISBN 978-3-527-32870-3  การคัดเลือกโมเลกุล เป็นต้น ซึ่งปัจจุบันนักเคมีวัสดุสามารถประยุกต์ใช้วัสดุโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ในระดับอุตสาหกรรมได้แล้ว  Czaja, Alexander U.; Trukhan, Natalia; Müller, Ulrich (2009). "Industrial applications of metal-organic frameworks". Chemical Society Reviews 38 (5): 1284–1293. doi:10.1039/b804680h. PMID 19384438. http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2009/CS/b804680h
โครงสร้าง
โครงสร้างของโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์จัดเป็นโคออร์ดิเนชันพอลิเมอร์ (coordination polymers) ที่เกิดจากโลหะอะตอมกลางสร้างพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์กับลิแกนด์ที่มีอะตอมผู้ให้หลายอะตอม ต่อเนื่องกันไป โดยโครงสร้างที่ขยายต่อเนื่องออกไปอาจจะเป็นโครงสร้างที่มี หนึ่งมิติ สองมิติ หรือ สามมิติ

แนวคิดบัพ−ตัวเชื่อม
การอธิบายโครงสร้างของโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์อาจพิจารณาได้จากแนวคิดเรื่อง บัพ (node) และ ตัวเชื่อม (linker) ซึ่งมองว่าไอออนของโลหะเป็นบัพที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันโดยโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อม ปัจจุบัน ได้เกิดเคมีสาขาใหม่คือ เคมีเรกติคิวลาร์ (reticular chemistry) ที่ศึกษาเกี่ยวกับโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์โดยพิจารณาการเชื่อมต่อหน่วยสร้าง (structural building units: SBUs) เข้าด้วยกันโดยพันธะที่แข็งแรงอย่างพันธะโคเวเลนต์ เป็นต้นthumb|left| รูป:2 การเกิดพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ระหว่างไอออนของโลหะ M และสารอินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อม สามารถทำให้เกิดโครงสร้าง หนึ่งมิติ สองมิติ หรือ สามมิติได้

เคมีโคออร์ดิเนชันของโลหะ
สมบัติทางเคมีโคออร์ดิเนชันของโลหะอะตอมกลางมีอิทธิพลต่อการกำหนดโครงสร้างของโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์เป็นอย่างมาก เช่น Ag+ มีแนวโน้มที่จะเกิดสารประกอบโคออร์ดิเนชันที่มีเลขโคออร์ดิเนชันเท่ากับ 2 หรือมีรูปทรงเรขาคณิตเป็นเส้นตรง ทำให้โคออร์ดิเนชันพอลิเมอร์ที่เกิดจาก Ag+ มีโอกาสเป็นโครงสร้าง 1 มิติสูง ในขณะที่สังกะสี (Zn2+) สามารถเกิดสารประกอบโคออร์ดิเนชันที่มีเลขโคออร์ดิเนชันเท่ากับ 6 หรือมีรูปทรงเรขาคณิตเป็นทรงแปดหน้าได้ดี จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดโคออร์ดิเนชันพอลิเมอร์ 2 มิติหรือ 3 มิติได้มากกว่า

โครงสร้างของตัวเชื่อม
สารอินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมโลหะอะตอมกลางอาจจะเป็นสารกลุ่มกรดคาร์บอกซิลิก (carboxylic acids) เอมีน (amines) เป็นต้น ตัวเชื่อมต้องมีอะตอมผู้ให้มากกว่า 1 อะตอม วางตัวในทิศทางที่จะส่งเสริมให้เกิดโครงสร้างที่ขยายออกไป เช่น กรด 1,4−เบนซีนไดคาร์บอกซิลิก กรดมาโลนิก กรดซักซินิก จัดเป็น ไดโทปิกลิแกนด์ (ditopic ligands) ซึ่งอะตอมผู้ให้หรือหมู่คาร์บอกซิเลตทั้งสองวางตัวอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกัน 180° ในขณะที่ กรด 1,3,5−เบนซีนไตรคาร์บอกซิลิก ซึ่งเป็น ไตรโทปิกลิแกนด์ (tritopic ligands)ที่หมู่คาร์บอกซิเลตวางตัวอยู่ในตำแหน่งที่ทำมุม 120° ทำให้การวางตัวของโลหะอะตอมกลางมีรูปแบบที่แตกต่างกันไป 
200px200px200pxกรด 1,4−เบนซีนไดคาร์บอกซิลิกกรด 1,3,5−เบนซีนไตรคาร์บอกซิลิกกรด 1,3,เบนซีนไดคาร์บอกซิลิก
นอกจากนี้ การใช้ตัวเชื่อมที่มีโมเลกุลแข็งเกร็งจะสามารถทำนายโครงสร้างที่จะได้ง่ายกว่าการใช้ตัวเชื่อมที่มีความยืดหยุ่นมากกว่า

ตัวเชื่อมโดยทั่วไปในโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์

สารอินทรีย์ที่ใช้เป็นตัวเชื่อมในโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์มีหลายชนิด ดังตัวอย่างต่อไปนี้

 ชื่อสามัญ ชื่อ IUPAC  สูตรโมเลกุล สูตรโครงสร้างกรดไดคาร์บอกซิลิก กรดออกซาลิก ethanedioic acid HOOC-COOH 75pxกรดมาโลนิก propanedioic acid HOOC-(CH2)-COOH 125pxกรดซักซินิก butanedioic acid HOOC-(CH2)2-COOH 125pxกรดกลูตาริก  pentanedioic acid HOOC-(CH2)3-COOH 125pxกรดพาทาลิก  benzene-1,2-dicarboxylic acido-phthalic acid C6H4(COOH)2 125pxกรดไอโซพาทาลิก  benzene-1,3-dicarboxylic acidm-phthalic acid C6H4(COOH)2 125pxกรดเทอเรพทาริก  benzene-1,4-dicarboxylic acidp-phthalic acid C6H4(COOH)2 125px กรดไตรคาร์บอกซิลิกกรดซิตริก  2-Hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid  (HOOC)CH2C(OH)(COOH)CH2(COOH) 125pxกรดไตรเมสิก  benzene-1,3,5-tricarboxylic acid  C9H6O6 125px เอโซล1,2,3-ไตรเอโซล  1H-1,2,3-triazole C2H3N3 75px พีโรไดเอโซล 1H-1,2,4-triazole C2H3N3 75px

การจัดจำแนก

นักเคมีวัสดุได้จัดจำแนกสารประกอบโคออร์ดิเนชันออกเป็นชนิดต่างๆโดยพิจารณามิติของการเชื่อมต่อสารอินทรีย์และมิติของการเชื่อมต่อสารอนินทรีย์ ดังนี้

+จัดจำแนกสารประกอบโคออร์ดิเนชันโดยพิจารณามิติการเชื่อมต่อของสารอินทรีย์และมิติการเชื่อมต่อของสารอนินทรีย์ Cheetham, Rao, and Feller. Structural diversity and chemical trends in hybrid inorganic-organic framework materials. Chem. Comm. 46 (2006) 4780. มิติการเชื่อมต่อของสารอนินทรีย์ มิติการเชื่อมต่อของสารอินทรีย์ 0  1  2  3 0 สารเชิงซ้อนเชิงโมเลกุล(Molecular Complexes)  สายโซ่ไฮบริดอนินทรีย์(Hybrid Inorganic Chains)  ชั้นไฮบริดอนินทรีย์ (Hybrid Inorganic Layers)  สารไฮบริดอนินทรีย์สามมิติ (3-D Inorganic Hybrids) 1 สายโซ่โคออร์ดิเนชันพอลิเมอร์ (Chain Coordination Polymers)  ชั้นผสมอนินทรีย์−อินทรีย์ (Mixed Inorganic-Organic Layers)  โครงข่ายสามมิติผสมอนินทรีย์−อินทรีย์ (Mixed Inorganic-Organic 3-D Framework)   2 ชั้นโคออร์ดิเนชันพอลิเมอร์ (Layered Coordination Polymer)  โครงข่ายผสมอนินทรีย์−อินทรีย์สามมิติ (Mixed Inorganic-Organic 3-D Framework)    3 โคออร์ดิเนชันพอลิเมอร์สามมิติ (3-D Coordination Polymers)    

อย่างไรก็ตาม ที่ผ่านมานักเคมีวัสดุไม่มีแนวทางในการเรียกสารประกอบโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ที่ชัดเจน จนกระทั่งสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ หรือ IUPAC ได้มีโครงการสำหรับการจัดจำแนกและเรียกชื่อสารประกอบกลุ่มนี้ให้เป็นไปในทางเดียวกัน'CP and MOF Project''. May 09, 2010. Retrieved on May 09, 2010. http://www.iupac.org/nc/home/projects/project-db/project-details.html?tx_wfqbe_pi1%5bproject_nr%5d=2009-012-2-200  และได้ตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการใน ค.ศ.2012 Batten, Stuart R.; Champness, Neil R.; Chen, Xiao-Ming; Garcia-Martinez, Javier; Kitagawa, Susumu; Öhrström, Lars; O'Keeffe, Michael; Suh, Myunghyun P. et al. (2012). "Coordination polymers, metal–organic frameworks and the need for terminology guidelines". CrystEngComm (RSC). doi:10.1039/C2CE06488J. http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/CE/c2ce06488j 
การประยุกต์ใช้
ดูเพิ่ม

 เคมีวัสดุ
 สารประกอบโคออร์ดิเนชัน

อ้างอิง

หมวดหมู่:เคมีอินทรีย์
หมวดหมู่:วัสดุพรุน