โครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์

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

รูป 1: โครงสร้างของ MOF-5 ซึ่งเป็นตัวอย่างของโครงข่ายโลหะ—สารอินทรีย์ที่เป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลายและมีการนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับพลังงานทางเลือก

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	1H-1,2,3-triazole	C2H3N3
พีโรไดเอโซล	1H-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