हाइड्रोजन-बद्ध जैविक ढांचा

हाइड्रोजन-बॉन्ड ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (एचओएफ) दो या तीन-आयामी सामग्रियों का एक वर्ग है जो सरंध्रता और संरचनात्मक लचीलेपन को वहन करने के लिए आणविक मोनोमर इकाइयों के बीच हाइड्रोजन बंध द्वारा निर्मित होते हैं।  विविध हाइड्रोजन बॉन्डिंग जोड़ी विकल्प हैं जिनका उपयोग एचओएफ निर्माण में किया जा सकता है, जिसमें समान या गैर-समान हाइड्रोजन बॉन्डिंग दाता और स्वीकर्ता शामिल हैं। हाइड्रोजन बॉन्डिंग इकाइयों के रूप में कार्य करने वाले कार्बनिक समूहों के लिए, कार्बोज़ाइलिक तेजाब, एमाइड, 2,4-डायमिनोट्रायज़िन और  imidazole  आदि जैसी प्रजातियों का उपयोग आमतौर पर हाइड्रोजन बॉन्डिंग इंटरैक्शन के निर्माण के लिए किया जाता है। सहसंयोजक कार्बनिक ढांचे और धातु-कार्बनिक ढांचे जैसे अन्य कार्बनिक ढांचे की तुलना में, एचओएफ की बाध्यकारी शक्ति अपेक्षाकृत कमजोर है और एचओएफ की सक्रियता अन्य ढांचे की तुलना में अधिक कठिन है, जबकि हाइड्रोजन बांड की उत्क्रमणीयता सामग्री की उच्च क्रिस्टलीयता की गारंटी देती है। यद्यपि एचओएफ की स्थिरता और छिद्र आकार के विस्तार में संभावित समस्याएं हैं, फिर भी एचओएफ विभिन्न क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के लिए मजबूत संभावनाएं दिखाते हैं। एक महत्वपूर्ण परिणामहाइड्रोजन-बंधित कार्बनिक ढांचे की प्राकृतिक छिद्रपूर्ण वास्तुकला का उद्देश्य अतिथि अणुओं के सोखने का एहसास करना है। यह चरित्र गैस हटाने/भंडारण/पृथक्करण, अणु पहचान, प्रोटॉन चालन, और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों आदि सहित विभिन्न एचओएफ संरचनाओं के विभिन्न अनुप्रयोगों के उद्भव को तेज करता है।



इतिहास
विस्तारित 2डी हाइड्रोजन-बॉन्डिंग-आधारित झरझरा ढांचे की रिपोर्ट को 1960 के दशक में खोजा जा सकता है। 1969 में, ड्यूचैम्प और मार्श ने बेंजीन-1,3,5-ट्राइ-कार्बोक्जिलिक एसिड (ट्राइमेसिक एसिड या टीएमए) द्वारा निर्मित हनीकॉम्ब नेटवर्क के साथ 2डी इंटरपेनिट्रेटेड गैर-छिद्रपूर्ण क्रिस्टल संरचना की सूचना दी। तब एर्मर ने इंटरपेनिट्रेटेड डायमंड टोपोलॉजी के साथ एक एडामेंटेन-1,3,5,7-टेट्राकारबॉक्सिलिक 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 बॉन्डिंग के साथ एक छिद्रपूर्ण कार्बनिक ढांचे की सूचना दी और पहली बार गैस सोखना द्वारा इसकी सरंध्रता का प्रदर्शन किया। तब से, कई एचओएफ संरचनाओं का डिजाइन और निर्माण किया गया है, इस बीच झरझरा ढांचे से संबंधित विभिन्न अनुप्रयोगों का प्रयास किया गया है और एचओएफ पर लागू किया गया है, जिनकी प्रभावशीलता साबित हुई है।

एचओएफ में हाइड्रोजन बॉन्डिंग जोड़े
विभिन्न मोनोमर्स के बीच बने हाइड्रोजन बांड विभिन्न असेंबली आर्किटेक्चर के साथ हाइड्रोजन-बंधित कार्बनिक ढांचे के निर्माण की गारंटी देते हैं।  हाइड्रोजन जोड़े का गठन एचओएफ के संरचनात्मक और कार्यात्मक डिजाइन पर आधारित है, इसलिए व्यवस्थित आवश्यकताओं के बाद विभिन्न हाइड्रोजन बॉन्डिंग जोड़े का चयन किया जाना चाहिए। हाइड्रोजन बॉन्डिंग जोड़े में आम तौर पर 2,4-डायमिनोट्रायज़िन, कार्बोक्जिलिक एसिड, एमाइड,  imide, इमिडाज़ोल, इमिडाज़ोलोन और रेसोरिसिनॉल आदि शामिल होते हैं।     उपयुक्त रीढ़ की हड्डी के साथ संयोजन करते हुए, प्रत्येक क्रिस्टलीकरण स्थिति में, हाइड्रोजन-बॉन्डिंग जोड़े विशिष्ट असेंबली राज्यों का प्रदर्शन करेंगे, जिसका अर्थ है कि इस क्रिस्टलीकरण स्थिति के लिए पसंदीदा ऊर्जा वाले आकारिकी को मोनोमर्स द्वारा इकट्ठा किया जा सकता है। 2डी या 3डी एचओएफ को साकार करने के लिए, एक से अधिक हाइड्रोजन बॉन्डिंग जोड़े वाले मोनोमर्स पर आमतौर पर विचार किया जाता है: कठोरता और दिशात्मकता भी एचओएफ निर्माण के पक्ष में हैं।

HOF मोनोमर की रीढ़
निर्माणात्मक इकाइयों की कठोरता और दिशात्मकता एचओएफ को विभिन्न छिद्र संरचनाएं, टोपोलॉजी और आगे के अनुप्रयोग प्रदान करती है। इसलिए, मोनोमर बैकबोन का उचित चयन एचओएफ के निर्माण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। ये बैकबोन न केवल ऊपर उल्लिखित विभिन्न हाइड्रोजन बॉन्डिंग जोड़े के साथ मिलकर स्थिर एचओएफ संरचनात्मक डिजाइन का एहसास कर सकते हैं और छिद्र आकार का विस्तार कर सकते हैं, बल्कि एचओएफ की अधिक टोपोलॉजी की पेशकश करने का अवसर भी दे सकते हैं। इसके अलावा, मोनोमर्स और एचओएफ उत्पन्न करने के लिए समान ज्यामिति और समान कनेक्शन पैटर्न के साथ बैकबोन का उपयोग करके, फ्रेमवर्क का आइसोरेटिकुलर विस्तार छिद्र आकार को प्रभावी ढंग से विस्तारित करने के लिए एक विश्वसनीय तरीका बन जाता है। जैसा कि उल्लेख किया गया है, झरझरा और स्थिर एचओएफ के निर्माण के लिए, कई पहलुओं पर एक साथ विचार किया जाना चाहिए, जैसे कि रीढ़ की हड्डी की कठोरता, हाइड्रोजन जोड़े की अभिविन्यास और बंधन शक्ति, और व्यवस्थित स्टैकिंग के लिए अन्य अंतर-आणविक इंटरैक्शन। इसलिए, एचओएफ मोनोमर्स के डिजाइन को उनके एच-बॉन्ड अभिविन्यास और संरचनात्मक कठोरता, और परिणामी ढांचे की स्थिरता और सरंध्रता पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए।

सिंथेटिक तरीके
सिद्धांत रूप में, HOF को सॉल्वैंट्स 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 गतिकी के अनुरूप हो सकते हैं, जबकि क्रिस्टलीकरण दर धीमी होने से थर्मोडायनामिक क्रिस्टल प्राप्त हो सकते हैं। एचओएफ क्रिस्टल का उत्पादन करने की एक सामान्य विधि समाधान के विलायक को धीरे-धीरे वाष्पित करना है, जिससे मोनोमर्स की स्टैकिंग में लाभ होता है। एक अन्य व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि कम क्वथनांक वाले खराब सॉल्वैंट्स को उच्च क्वथनांक वाले अच्छे सॉल्वैंट्स के साथ मोनोमर समाधान में फैलाना है, ताकि मोनोमर्स की असेंबली को प्रेरित किया जा सके। विभिन्न क्रिस्टलीकरण प्रणालियों के आधार पर, एचओएफ निर्माण के लिए अन्य तरीकों को भी लागू किया गया है।

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

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

गैस सोखना
अनुरूप छिद्र आकार वाले एक प्रकार के नेटवर्क के रूप में, एचओएफ निश्चित आकार और इंटरैक्शन के साथ गैस अणुओं के लिए भंडारण कंटेनर के रूप में काम कर सकते हैं। एचओएफ 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 एचओएफ 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। एचओएफ 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 बॉन्ड 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 बॉन्डिंग, 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 एचओएफ 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 एचओएफ को डिजाइन और असेंबल किया जाता है, जो एचओएफ 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 एचओएफ 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 एचओएफ 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 एचओएफ 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।