**รูป 1:** โครงสร้างของ MOF-5 ซึ่งเป็นตัวอย่างของโครงข่ายโลหะ—สารอินทรีย์ที่เป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลายและมีการนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับพลังงานทางเลือก
**โครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์** (อังกฤษ: Metal−organic Frameworks: MOFs) 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 การเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา  การกักเก็บแก๊ส  การคัดเลือกโมเลกุล เป็นต้น ซึ่งปัจจุบันนักเคมีวัสดุสามารถประยุกต์ใช้วัสดุโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ในระดับอุตสาหกรรมได้แล้ว

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 เป็นต้น

 **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 

  


  

**กรด 1,4−เบนซีนไดคาร์บอกซิลิก** **กรด 1,3,5−เบนซีนไตรคาร์บอกซิลิก** **กรด 1,3,เบนซีนไดคาร์บอกซิลิก**

  

นอกจากนี้ การใช้ตัวเชื่อมที่มีโมเลกุลแข็งเกร็งจะสามารถทำนายโครงสร้างที่จะได้ง่ายกว่าการใช้ตัวเชื่อมที่มีความยืดหยุ่นมากกว่า

ตัวเชื่อมโดยทั่วไปในโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์
--------------------------------------------

สารอินทรีย์ที่ใช้เป็นตัวเชื่อมในโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์มีหลายชนิด ดังตัวอย่างต่อไปนี้

| ชื่อสามัญ | ชื่อ IUPAC | สูตรโมเลกุล | สูตรโครงสร้าง |
| --- | --- | --- | --- |
| กรดไดคาร์บอกซิลิก |
| กรดออกซาลิก | ethanedioic acid | HOOC-COOH |  |
| กรดมาโลนิก | propanedioic acid | HOOC-(CH2)-COOH |  |
| กรดซักซินิก | butanedioic acid | HOOC-(CH2)2-COOH |  |
| กรดกลูตาริก | pentanedioic acid | HOOC-(CH2)3-COOH |  |
| กรดพาทาลิก | benzene-1,2-dicarboxylic acid*o*-phthalic acid | C6H4(COOH)2 |  |
| กรดไอโซพาทาลิก | benzene-1,3-dicarboxylic acid*m*-phthalic acid | C6H4(COOH)2 |  |
| กรดเทอเรพทาริก | benzene-1,4-dicarboxylic acid*p*-phthalic acid | C6H4(COOH)2 |  |
| กรดไตรคาร์บอกซิลิก |
| กรดซิตริก | 2-Hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid | (HOOC)CH2C(OH)(COOH)CH2(COOH) |  |
| กรดไตรเมสิก | benzene-1,3,5-tricarboxylic acid | C9H6O6 |  |
| เอโซล |
| 1,2,3-ไตรเอโซล | 1*H*-1,2,3-triazole | C2H3N3 |  |
| พีโรไดเอโซล | 1*H*-1,2,4-triazole | C2H3N3 |  |
|

การจัดจำแนก
-----------

นักเคมีวัสดุได้จัดจำแนกสารประกอบโคออร์ดิเนชันออกเป็นชนิดต่างๆโดยพิจารณามิติของการเชื่อมต่อสารอินทรีย์และมิติของการเชื่อมต่อสารอนินทรีย์ ดังนี้

จัดจำแนกสารประกอบโคออร์ดิเนชันโดยพิจารณามิติการเชื่อมต่อของสารอินทรีย์และมิติการเชื่อมต่อของสารอนินทรีย์ |  | 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 จนกระทั่ง สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ หรือ IUPAC ได้มีโครงการสำหรับการจัดจำแนกและเรียกชื่อสารประกอบกลุ่มนี้ให้เป็นไปในทางเดียวกัน  และได้ตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการในปี ค.ศ.2012

การประยุกต์ใช้
--------------

ในปัจจุบันมีการศึกษาสมบัติของโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์อย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะในประเทศสหรัฐอเมริกา โดยใช้เป็นตัวกักเก็บแก๊สไฮโดรเจน  ตัวกักเก็บแก๊สมีเทน  ตัวคัดเลือกโมเลกุล  ตัวเร่งปฏิกิริยาที่จำเพาะเจาะจงต่อสเตอริโอเคมี 

  

 **รูป 3:** ตัวอย่างของการใช้โครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ในการเร่งปฏิกิริยา

ดูเพิ่ม
-------

* เคมีวัสดุ
* สารประกอบโคออร์ดิเนชัน

อ้างอิง
-------

1. ↑  U. 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.
2. ↑  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
3. ↑   Jiří Čejka (ed.) "*Metal-Organic Frameworks Applications from Catalysis to Gas Storage*" Wiley-VCH, Weinheim, 2011. 392 pp. ISBN 978-3-527-32870-3
4. ↑   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.
5. ↑  Cheetham, Rao, and Feller. Structural diversity and chemical trends in hybrid inorganic-organic framework materials. *Chem. Comm.* **46** (2006) 4780. doi:10.1039/b610264f
6. ↑  'CP and MOF Project*. May 09, 2010. Retrieved on May 09, 2010.  เก็บถาวร 2013-09-17 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน*
7. ↑   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.
8. ↑   Furukawa, H; Ko, N; Go, YB; Aratani, N; Choi, SB; Choi, E; ; Snurr, RQ; O'Keeffe, M; Kim, J; Yaghi, OM; "*Ultrahigh Porosity in Metal-Organic Frameworks*". Science. 2010, 329, pp 424-428. DOI: 10.1126/science.1192160
9. ↑   Mendoza-Cortes JL; Han SS; Furukawa H; Yaghi OM; Goddard, WA; "*Adsorption Mechanism and Uptake of Methane in Covalent Organic Frameworks: Theory and Experiment*". J. Phys. Chem. A, 2010, 114, pp 10824–10833.DOI: 10.1021/jp1044139
10. ↑   Uemura, T.; Kitaura, R.; Ohta, Y.; Nagaoka, M.; Kitagawa, S. (2006). "*Nanochannel-Promoted Polymerization of Substituted Acetylenes in Porous Coordination Polymers*". Angew. Chem. Int. Ed. 45: 4112–4116. doi:10.1002/anie.200600333
11. ↑   S. T. Wu, Y. R. Wu, Q. Q. Kang, H. Zhang, L. S. Long, Z. P. Zheng, R. B. Huang, L. S. Zheng (2007). "*Chiral Symmetry Breaking by Chemically Manipulating Statistical Fluctuation in Crystallization*". Angew. Chem. Int. Ed. 46: 8475. doi:10.1002/anie.200703443