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 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

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

การจัดจำแนก

นักเคมีวัสดุได้จัดจำแนกสารประกอบโคออร์ดิเนชันออกเป็นชนิดต่างๆโดยพิจารณามิติของการเชื่อมต่อสารอินทรีย์และมิติของการเชื่อมต่อสารอนินทรีย์ ดังนี้

อย่างไรก็ตาม ที่ผ่านมานักเคมีวัสดุไม่มีแนวทางในการเรียกสารประกอบโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ที่ชัดเจน จนกระทั่ง สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ หรือ IUPAC ได้มีโครงการสำหรับการจัดจำแนกและเรียกชื่อสารประกอบกลุ่มนี้ให้เป็นไปในทางเดียวกัน  และได้ตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการในปี ค.ศ.2012

การประยุกต์ใช้

ในปัจจุบันมีการศึกษาสมบัติของโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์อย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะในประเทศสหรัฐอเมริกา โดยใช้เป็นตัวกักเก็บแก๊สไฮโดรเจน  ตัวกักเก็บแก๊สมีเทน  ตัวคัดเลือกโมเลกุล  ตัวเร่งปฏิกิริยาที่จำเพาะเจาะจงต่อสเตอริโอเคมี

ดูเพิ่ม

 เคมีวัสดุ
 สารประกอบโคออร์ดิเนชัน

อ้างอิง

เคมีอินทรีย์
วัสดุพรุน