हाइड्रोजन-बद्ध जैविक ढांचा

हाइड्रोजन-बंधन ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (HOFs) दो या तीन आयामी सामग्रियों का एक वर्ग है जो सरंध्रता और संरचनात्मक नम्यता को वहन करने के लिए आणविक मोनोमर इकाइयों के बीच हाइड्रोजन बंधन द्वारा बनाई जाती है।  विविध हाइड्रोजन बंधन युग्म विकल्प हैं जिनका उपयोग HOFs निर्माण में किया जा सकता है, जिसमें समान या गैर-समान हाइड्रोजन बंधन दाता और स्वीकर्ता शामिल हैं। हाइड्रोजन बंधन इकाइयों के रूप में कार्य करने वाले कार्बनिक समूहों के लिए, कार्बोक्सिलिक अम्ल, एमाइड, 2,4-डायमिनोट्रायज़िन और इमिडाज़ोल इत्यादि जैसी प्रजातियों का उपयोग आमतौर पर हाइड्रोजन बंधन इंटरैक्शन के निर्माण के लिए किया जाता है। COF और MOF जैसे अन्य कार्बनिक ढांचे की तुलना में, HOFs का बंधन बल अपेक्षाकृत कमजोर है और HOFs का सक्रियण अन्य ढांचे की तुलना में अधिक कठिन है, जबकि हाइड्रोजन बांड की प्रतिवर्तीता सामग्री की उच्च क्रिस्टलीयता की प्रत्याभूति देती है। यद्यपि HOFs की स्थिरता और छिद्र आकार के विस्तार में संभावित समस्याएं हैं, फिर भी HOFs विभिन्न क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के लिए मजबूत क्षमता दिखाते हैं।

हाइड्रोजन-बंधित कार्बनिक फ़्रेमवर्क की प्राकृतिक छिद्रपूर्ण आर्किटेक्चर का एक महत्वपूर्ण परिणाम साथी अणुओं के सोखने का एहसास करना है। यह चरित्र विभिन्न HOFs संरचनाओं के विभिन्न अनुप्रयोगों के उद्भव को तेज करता है, जिसमें गैस हटाने/भंडारण/पृथक्करण, अणु पहचान, प्रोटॉन चालन, बायोमेडिकल अनुप्रयोग आदि शामिल हैं।



इतिहास
विस्तारित 2डी हाइड्रोजन-बंधन-आधारित छिद्रपूर्ण ढांचे की रिपोर्ट को 1960 के दशक में ट्रैक किया जा सकता है। 1969 में, डुचैम्प और मार्श ने बेंजीन-1,3,5-ट्राई-कार्बोक्जिलिक एसिड (ट्राइमेसिक अम्ल या टीएमए) द्वारा निर्मित हनीकॉम्ब नेटवर्क के साथ 2डी इंटरपेनिट्रेटेड नॉनपोरस क्रिस्टल संरचना की सूचना दी। फिर एर्मर ने इंटरपेनिट्रेटेड डायमंड टोपोलॉजी के साथ एक एडामेंटेन-1,3,5,7-टेट्राकार्बोक्सिलिक एसिड (एडीटीए) आधारित हाइड्रोजन-बॉन्ड नेटवर्क की सूचना दी। इस बीच अतिथि-प्रेरित हाइड्रोजन बंधित ढाँचे के विविध कार्य क्रमिक रूप से रिपोर्ट किए गए, जिससे धीरे-धीरे हाइड्रोजन बंधित कार्बनिक ढाँचे की अवधारणा विकसित हुई।   हाइड्रोजन बंधित कार्बनिक ढांचे के विकास में एक और मील का पत्थर चेन द्वारा स्थापित किया गया था। 2011 में, चेन ने बाध्यकारी बल के रूप में हाइड्रोजन बंधन के साथ एक छिद्रपूर्ण कार्बनिक ढांचे की सूचना दी और पहली बार गैस सोखना द्वारा इसकी सरंध्रता का प्रदर्शन किया। तब से, कई HOFs संरचनाओं का डिजाइन और निर्माण किया गया है, इस बीच छिद्रपूर्ण ढांचे से संबंधित विभिन्न अनुप्रयोगों का प्रयास किया गया है और HOFs पर लागू किया गया है, जिनकी प्रभावशीलता सिद्ध हुई है।

HOFs में हाइड्रोजन बंधन युग्म
विभिन्न मोनोमर्स के बीच बनने वाले हाइड्रोजन बॉन्ड विभिन्न असेंबली आर्किटेक्चर के साथ हाइड्रोजन-बॉन्ड कार्बनिक ढांचे के निर्माण की प्रत्याभूति देते हैं।  हाइड्रोजन युग्म का गठन HOFs के संरचनात्मक और कार्यात्मक डिजाइन पर आधारित है, इसलिए व्यवस्थित आवश्यकताओं का पालन करते हुए विभिन्न हाइड्रोजन बंधन युग्म का चयन किया जाना चाहिए। हाइड्रोजन बंधन युग्म में आम तौर पर 2,4-डायमिनोट्रायज़िन, कार्बोक्जिलिक एसिड, एमाइड, इमाइड, इमिडाज़ोल, इमिडाज़ोलोन और रेसोरिसिनोल आदि शामिल होते हैं।     उपयुक्त रीढ़ की हड्डी के साथ संयोजन करते हुए, प्रत्येक क्रिस्टलीकरण स्थिति में, हाइड्रोजन-बंधन युग्म विशिष्ट संयोजन राज्यों का प्रदर्शन करेंगे, जिसका अर्थ है कि इस क्रिस्टलीकरण स्थिति के लिए पसंदीदा ऊर्जा के साथ आकृति विज्ञान को मोनोमर्स द्वारा इकट्ठा किया जा सकता है। 2डी या 3डी HOFs का एहसास करने के लिए, एक से अधिक हाइड्रोजन बंधन युग्म वाले मोनोमर्स पर आम तौर पर विचार किया जाता है: कठोरता और दिशात्मकता भी HOFs निर्माण के पक्ष में हैं।



HOF मोनोमर का आधार
निर्माणात्मक इकाइयों की कठोरता और दिशात्मकता HOFs को विभिन्न छिद्र संरचनाओं, टोपोलॉजी और आगे के अनुप्रयोगों की पेशकश करती है। इसलिए, मोनोमर बैकबोन का उचित विकल्प HOFs के निर्माण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। ये बैकबोन न केवल स्थिर HOFs संरचनात्मक डिजाइन को साकार करने और छिद्र आकार का विस्तार करने के लिए ऊपर उल्लिखित विभिन्न हाइड्रोजन बंधन युग्म के साथ संयोजन कर सकते हैं, बल्कि HOFs की अधिक टोपोलॉजी की पेशकश करने का अवसर भी देते हैं। इसके अलावा, मोनोमर्स और HOFs उत्पन्न करने के लिए समान ज्यामिति और समान कनेक्शन पैटर्न वाले बैकबोन का उपयोग करके, फ्रेमवर्क का आइसोरेटिकुलर विस्तार छिद्र आकार को प्रभावी ढंग से विस्तारित करने का एक विश्वसनीय तरीका बन जाता है। जैसा कि उल्लेख किया गया है, झरझरा और स्थिर HOFs के निर्माण के लिए, कई पहलुओं पर एक साथ विचार किया जाना चाहिए, जैसे कि बैकबोन की कठोरता, हाइड्रोजन युग्म की अभिविन्यास और बंधन शक्ति, और व्यवस्थित स्टैकिंग के लिए अन्य अंतर-आणविक इंटरैक्शन। इसलिए, HOFs मोनोमर्स के डिजाइन को उनके H-बंध ओरिएंटेशन और संरचनात्मक कठोरता, और परिणामस्वरूप ढांचे की स्थिरता और सरंध्रता पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए।

सिंथेटिक तरीके
सिद्धांत रूप में, HOF को विलायकों से क्रिस्टलीकृत किया जा सकता है। हालाँकि, विलायक प्रकार, अग्रदूत एकाग्रता, क्रिस्टलीकरण समय और तापमान आदि के कारक HOFs सिस्टलीकरण प्रक्रिया पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकते हैं। आम तौर पर क्रिस्टल उत्पाद उच्च सांद्रता और कम क्रिस्टलीकरण समय के माध्यम से कैनेटीक्स के अनुरूप हो सकते हैं, जबकि क्रिस्टलीकरण दर धीमी होने से थर्मोडायनामिक क्रिस्टल प्राप्त हो सकते हैं। HOF क्रिस्टल का उत्पादन करने की एक सामान्य विधि घोल के विलायक को धीरे-धीरे वाष्पित करना है, जिससे मोनोमर्स के स्टैकिंग को लाभ होता है। एक और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि मोनोमर्स की असेंबली को प्रेरित करने के लिए कम क्वथनांक वाले खराब सॉल्वैंट्स को उच्च क्वथनांक वाले अच्छे सॉल्वैंट्स के साथ मोनोमर समाधान में फैलाना है। विभिन्न क्रिस्टलीकरण प्रणालियों के आधार पर, HOF निर्माण के लिए अन्य विधियाँ भी लागू की गई हैं।

लक्षण वर्णन विधियाँ
HOF सामग्रियों और उनके मोनोमर्स को चिह्नित करने की विभिन्न विधियाँ हैं। परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी और उच्च-रिज़ॉल्यूशन द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (एचआर-एमएस) का उपयोग आम तौर पर मोनोमर्स के संश्लेषण को चिह्नित करने के लिए किया जाता है। एकल क्रिस्टल एक्स-रे विवर्तन (एससीएक्सआरडी) HOFs क्रिस्टल पैकिंग की संरचना का निर्धारण करने के लिए शक्तिशाली उपकरण है। पाउडर एक्स-रे विवर्तन (पीएक्सआरडी) भी HOFs के शुद्ध चरण निर्माण को प्रदर्शित करने के लिए एक समर्थित तकनीक है।  ब्रूनॉयर-एम्मेट-टेलर (बीईटी) विधि के माध्यम से गैस सोखना और सोखना अध्ययन HOFs के कुछ प्रमुख मापदंडों को उचित रूप से प्रदर्शित कर सकता है, जैसे छिद्र आकार, विशिष्ट गैस सोखना मात्रा और सोखना आइसोथर्म से सतह क्षेत्र। अनुप्रयोग निर्देशों और अध्ययन क्षेत्रों के आधार पर, HOFs के लक्षण वर्णन के लिए विविध तकनीकों को लागू किया गया है।

अनुप्रयोग
छिद्रपूर्ण संरचनाएं और अद्वितीय गुण व्यावहारिक क्षेत्रों में HOFs के अच्छे अनुप्रयोग प्रदर्शन की प्रत्याभूति देते हैं। अनुप्रयोगों में गैस सोखना, हाइड्रोकार्बन पृथक्करण, प्रोटॉन चालकता, और आणविक मान्यता आदि शामिल हैं, लेकिन इन्हीं तक सीमित नहीं हैं।



गैस सोखना
अनुरूप छिद्र आकार वाले एक प्रकार के नेटवर्क के रूप में, HOFs निश्चित आकार और इंटरैक्शन के साथ गैस अणुओं के लिए भंडारण कंटेनर के रूप में काम कर सकते हैं। HOFs में अपेक्षाकृत सीमित छिद्र आकार हाइड्रोजन|एच सहित विभिन्न छोटे गैस अणुओं को संग्रहीत करने, पकड़ने या अलग करने में मदद कर सकता है।2, नाइट्रोजन|एन2, कार्बन डाइऑक्साइड|CO2, मीथेन|सीएच4, एसिटिलीन|सी2H2, एथिलीन|सी2H4, ईथेन|सी2H6और इसी तरह। मास्टालेर्ज़ और ओपेल ने संवैधानिक मोनोमर्स के रूप में ट्रिप्टिसीन ट्रिसबेनज़िमिडाज़ोलोन (टीटीबीआई) के साथ एक विशेष 3डी HOFs की सूचना दी। आणविक कठोरता और स्टीरियो निर्माण के कारण, फ्रेमवर्क के माध्यम से 1डी चैनल बनाए गए और सतह क्षेत्र को बड़े पैमाने पर 2796 मीटर की सीमा तक बढ़ाया गया।2/g जैसा कि BET द्वारा दिखाया गया है। HOFs ने एच की अच्छी सोखने की क्षमता भी प्रस्तुत की2 और सह2, 243 और 80.7 सेमी के रूप में3/g 1 बार पर 77 और 273 K पर, अलग से।

सीओ2 सोखना
एक विशिष्ट ग्रीनहाउस गैस के रूप में जो कई पहलुओं में गंभीर समस्याएं पैदा कर सकती है, कार्बन डाइऑक्साइड का कब्जा हमेशा बड़ी चिंता का विषय रहा है। इस बीच, कार्बन डाइऑक्साइड का व्यापक रूप से गैस संसाधन के रूप में उपयोग किया गया है या विनिर्माण और उद्योग में अपशिष्ट गैस के रूप में उत्सर्जित किया गया है, इसलिए CO का भंडारण और पृथक्करण2 हमेशा एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग के रूप में जोर दिया गया है। चेन और सहकर्मियों ने उच्च CO के साथ संरचनात्मक परिवर्तन HOF की सूचना दी2 2015 में सोखने की क्षमता।<संदर्भ नाम = वांग 9963-9970 > बिनोडल टोपोलॉजी के साथ HOF आर्किटेक्चर की असेंबली को साकार करने के लिए इकाइयों के बीच N-H···N हाइड्रोजन बंधन का गठन किया जाता है। सह2 HOF की ग्रहण क्षमता 117.1 सेमी तक पहुंच सकती है3/g 273 K पर।

हाइड्रोकार्बन पृथक्करण
सी के लिए प्रयुक्त हाइड्रोजन-बंधित कार्बनिक ढाँचा2H2/सी2H4 चेन और सहकर्मियों द्वारा अलगाव की सूचना दी गई थी। इस HOF की संरचना में, प्रत्येक 4,4',4 ,4 ' -tetra(4,6-diamino-s-triazin-2-yl)tetraphenylmethane इकाई एन–एच···एन हाइड्रोजन बांड द्वारा आठ अन्य इकाइयों से जुड़ा हुआ है। कुछ संरचनात्मक लचीलेपन के कारण, ढांचा सी को आगे बढ़ाने में सक्षम था2H2 63.2 सेमी तक3/g जबकि C की सोखने की मात्रा2H4 8.3 सेमी था3/g 273 K पर, प्रभावी C दिखा रहा है2H2/सी2H4 जुदाई.

अणु पहचान
हाइड्रोजन-बंधित कार्बनिक ढांचे में मौजूद गैर-सहसंयोजक इंटरैक्शन, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन बंधन, पाई-इंटरैक्शन | π-π इंटरैक्शन और वैन डेर वाल्स बल, अणुओं की पहचान के लिए महत्वपूर्ण अंतर-आणविक इंटरैक्शन माने जाते हैं। इस बीच, कई बाध्यकारी साइटें और अनुकूलनीय संरचनाएं HOFs को अच्छा अणु पहचान मंच भी बनाती हैं। इन विशेषताओं का फायदा उठाकर, अब तक विभिन्न प्रकार की पहचान को साकार किया जा चुका है, जिसमें गैस अणुओं की पहचान, फुलरीन की पहचान, एनिलिन की पहचान, पाइरीडीन की पहचान, आदि शामिल हैं। <संदर्भ नाम = वांग 9963-9970 />

ऑप्टिकल सामग्री
बड़े π संयुग्मन संरचनाओं वाले कुछ चमक  अणुओं का उपयोग HOFs निर्माण के लिए भी किया जाता है। इसलिए, गैर-सहसंयोजक नियंत्रित ल्यूमिनेसेंस समायोजन को साकार करने के लिए विभिन्न ल्यूमिनसेंट HOFs को डिजाइन और असेंबल किया जाता है, जो HOFs सामग्रियों में अधिक कार्यों को पेश कर सकता है। उदाहरण के लिए, विशेष जाल एथिलीन पर अत्यधिक निर्भर है (टीपीई) को बैकबोन के रूप में उपयोग करके, विभिन्न रंग उत्सर्जन प्रस्तुत करने वाले सॉल्वैंट्स के साथ संयुक्त HOFs की एक श्रृंखला की सूचना दी गई है।

प्रोटॉन चालन
प्रोटॉन वाहकों के साथ निर्मित हाइड्रोजन-बंधित कार्बनिक ढांचे का प्रोटॉन संचालन के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। हाइड्रोजन बांड प्रोटॉन को स्थानांतरित करने के लिए ढांचे में प्रोटॉन स्रोत के रूप में भी काम कर सकते हैं। एक उदाहरण के रूप में, पोर्फिरिन-आधारित संरचनाओं और गनीडिनियम सल्फोनेट नमक मोनोमर्स का अध्ययन किया गया है और उनमें निश्चित चालकता के बाद से प्रोटॉन चालन के लिए HOFs डिजाइन और निर्माण में शामिल किया गया है।

जैविक अनुप्रयोग
धातु-मुक्त झरझरा सामग्री के प्रकार के रूप में, हाइड्रोजन-बंधित कार्बनिक ढाँचे भी दवा वितरण और रोग उपचार के लिए आदर्श मंच हैं। इस बीच, उचित मोनोमर चयन और उचित व्यवस्था के साथ, काओ ने एक मजबूत HOFs की सूचना दी जो कैंसर की दवा डॉक्सोरूबिसिन को प्रभावी ढंग से समाहित कर सकती है और कैंसर के इलाज के लिए दवा रिलीज और फ़ोटोडायनॉमिक थेरेपी  के दोहरे कार्यों को साकार करने के लिए एम्बेडेड फोटोएक्टिव पाइरेन मोइटी द्वारा सिंगलेट ऑक्सीजन का उत्पादन कर सकती है।