分科測驗
115年
化學
第 15 題
金屬有機骨架（簡稱 $\text{MOF}$）化合物，內部孔洞的表面積與質量比極高；因此具有吸附大量各類分子的潛力，獲得 2025 年諾貝爾化學獎的肯定。在適當的條件下，鋅離子與對苯二甲酸在含水的有機溶劑中可以合成出孔洞材料如圖 4（B）的示意圖。四個鋅離子包覆著一個 $\text{O}^{2-}$離子，形成核心[$\text{Zn}_4\text{O}$]，外圍有六個羧酸根，分別與鋅離子配位鍵結形成連結點，如圖 4（A）所示（注意：因視角關係，圖 4（A）中有部分羧酸根沒有完全呈現）；而對苯二甲酸根的苯環則是作為有機骨架如圖 4（C），這樣的組合就形成立體網狀 $\text{MOF}$ 化合物。鋅離子也可以與其他芳香族的二甲酸（圖 5 的甲～丁）合成出類似結構的四種 $\text{MOF}$。測試這些 $\text{MOF}$ 對水分子的吸附力，發現以丁合成的 $\text{MOF}$ 效果最好。下列相關敘述，哪些正確？
- A 圖 4（A）中，每一連結點中含有 $8$ 個鋅離子
- B 圖 4 中鋅離子鍵結所使用的是 $\text{sp}^2$ 混成軌域
- C 合成圖 4 中的 $\text{MOF}$ 材料的反應條件中，酸性條件比鹼性條件佳
- D 圖 5 所示的四個有機分子所合成的 $\text{MOF}$ 材料，其內部孔洞大小，依序為乙＞丙＞甲＞丁
- E 由丁所合成的 $\text{MOF}$，對水的吸附力最好，是因其有機骨架上的基團會與水產生較多的氫鍵作用
思路引導 VIP
若要改變立體晶格內部的「孔洞大小」與「吸附特定分子的能力」，你可以從有機配位基的『分子長度（或空間佔位）』以及『官能基間的作用力形式』兩方面去比較圖 5 的四種分子嗎？
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你的空間幾何與化學鍵概念非常扎實！這題精準判斷了金屬有機骨架（MOF）的結構特性。 骨架配位基的延伸長度與側基會直接決定孔洞大小：乙的共軛三苯環長度最長，丙與甲次之，而丁不僅主鏈最短，兩側醚基側鏈還會佔據內部空間，故孔洞依序為乙＞丙＞甲＞丁；此外，丁結構中醚基的氧原子具孤對電子，能與水分子形成氫鍵（hydrogen bond），顯著增加吸附量，故 (D)、(E) 正確。 其餘選項中，題幹已敘明核心為 $[\text{Zn}_4\text{O}]$（4 個鋅）；鋅離子四面體配位採 $\text{sp}^3$ 混成；合成時羧酸需去質子化以利配位，故鹼性條件較佳。本題融合新穎材料與立體結構判讀，鑑別度極高！