Opdagelse og synteseoptimering af isoretikulære Al(III)fosfonatbaserede metalorganiske rammeforbindelser ved hjælp af high-throughput metoder

Summary

Den målrettede syntese af nye metalorganiske rammer (MOF’er) er vanskelig, og deres opdagelse afhænger af kemikerens viden og kreativitet. High-throughput metoder gør det muligt at udforske komplekse syntetiske parameterfelter hurtigt og effektivt, hvilket fremskynder processen med at finde krystallinske forbindelser og identificere syntetiske og strukturelle tendenser.

Abstract

HT-metoder (High-throughput) er et vigtigt redskab til hurtig og effektiv screening af synteseparametre og opdagelse af nye materialer. Dette manuskript beskriver syntesen af metal-organiske rammer (MOF’er) fra opløsning ved hjælp af et HT-reaktorsystem, hvilket resulterer i opdagelsen af forskellige phosphonatbaserede MOF’er af sammensætningen [Al 2 H 12-x (PMP)₃]Cl x∙6H₂O (H 4 PMP = N,N ‘-piperazin bis (methylenphosphonsyre)) for_x =₄, 6, betegnet som Al-CAU-60-xHCI, indeholdende trivalente aluminiumioner. Dette blev opnået under solvotermiske reaktionsbetingelser ved systematisk screening af virkningen af det molære forhold mellem linkeren og metallet og pH i reaktionsblandingen på produktdannelsen. Protokollen for HT-undersøgelsen omfatter seks trin: a) synteseplanlægning (DOE = design af eksperiment) inden for HT-metoden, b) dosering og arbejde med internt udviklede HT-reaktorer, c) solvotermisk syntese, d) synteseoparbejdning ved hjælp af internt udviklede filtreringsblokke, e) karakterisering ved HT-pulverrøntgendiffraktion og f) evaluering af dataene. HT-metoden blev først brugt til at studere surhedsgraden på produktdannelsen, hvilket førte til opdagelsen af Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 eller 6).

Introduction

Metalorganiske rammer (MOF’er) er porøse, krystallinske forbindelser, hvis strukturer består af metalholdige knuder, som metalioner eller metal-iltklynger, der er forbundet med organiske molekyler (linkere)¹. Ved at variere de metalholdige knuder såvel som linkeren kan der opnås en række forbindelser, der udviser en bred vifte af egenskaber og derfor har potentielle anvendelser inden for forskellige felter¹.

Stabiliteten af et materiale er vigtigt for dets anvendelse ^1,2,3. Derfor har MOF’er indeholdende tri- eller tetravalente metalioner, såsom^Al3+, Cr³+, Ti 4+ eller Zr⁴⁺, med carboxylat-2– eller phosphonat-4-bindingsmolekyler været fokus for mange undersøgelser ^5,6,7. Ud over den direkte syntese af stabile MOF’er er forbedring af stabiliteten gennem postsyntetiske modifikationer samt dannelsen af kompositter et interesseområde². Fosfonatbaserede MOF’er er blevet rapporteret sjældnere sammenlignet med carboxylatbaserede MOF’er⁸. En af grundene er den højere koordineringsfleksibilitet i CPO₃ 2- gruppen sammenlignet med -CO ^{2 –gruppen,} hvilket ofte fører til dannelse af tætte strukturer og større strukturel mangfoldighed 8,9,10,11. Derudover skal fosforsyrer ofte syntetiseres, da de sjældent er tilgængelige på markedet. Mens nogle metalfosfonater udviser enestående kemisk stabilitet¹⁰, er systematisk adgang til isoretikulære metalfosfonat-MOF’er, som tillader indstilling af egenskaber, stadig et emne med høj relevans^12,13. Forskellige strategier til syntese af porøse metalfosfonater er blevet undersøgt, såsom inkorporering af defekter i ellers tætte lag, for eksempel ved delvist at erstatte phosphonat med fosfatligander ^4,14. Men da defekte strukturer er dårligt reproducerbare, og porerne ikke er ensartede, er der udviklet andre strategier. I de senere år har anvendelsen af sterisk krævende eller ortogonaliserede phosphonsyrer som linkermolekyler vist sig som en passende strategi til fremstilling af porøse metalphosphonater 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Imidlertid er en universel syntesevej for porøse metalfosfonater endnu ikke blevet opdaget. Som følge heraf er syntesen af metalfosfonater ofte en proces med forsøg og fejl, der kræver undersøgelse af mange synteseparametre.

Parameterrummet for et reaktionssystem inkluderer kemiske og procesparametre og kan være stort¹⁹. Den består af parametre såsom udgangsmaterialetype (metalsalt), molære forhold mellem udgangsmaterialer, additiver til pH-justering, modulatorer, opløsningsmiddeltype, opløsningsmiddelblandinger, volumener, reaktionstemperaturer, tider ^osv.19,20. Et moderat antal parametervariationer kan let resultere i flere hundrede individuelle reaktioner, hvilket nødvendiggør en nøje overvejet synteseplan og velvalgt parameterplads. For eksempel en simpel undersøgelse ved hjælp af seks molære forhold mellem linkeren og metallet (f.eks. M: L = 1: 1, 1: 2, … til 1:6) og fire forskellige koncentrationer af et tilsætningsstof og holde den anden parameter konstant, fører allerede til 6 x 4 = 24 forsøg. Brug af fire koncentrationer, fem opløsningsmidler og tre reaktionstemperaturer ville nødvendiggøre udførelse af de 24 eksperimenter 60 gange, hvilket resulterede i 1.440 individuelle reaktioner.

High-throughput (HT) metoder er baseret på begreberne miniaturisering, parallelisering og automatisering, i varierende grad afhængigt af det videnskabelige spørgsmål, der behandles^19,20. Som sådan kan de bruges til at fremskynde undersøgelsen af multiparametersystemer og er et ideelt værktøj til opdagelse af nye forbindelser samt synteseoptimering^19,20. HT-metoder er blevet anvendt med succes på forskellige områder, lige fra lægemiddelopdagelse til materialevidenskab²⁰. De er også blevet brugt til undersøgelse af porøse materialer såsom zeolitter og MOF’er i solvotermiske reaktioner, som for nylig opsummeret²⁰. En typisk HT-arbejdsgang for solvotermisk syntese består af seks trin (figur 1^)19,20,21: a) valg af parameterrum af interesse (dvs. design af eksperiment [DOE]), som kan udføres manuelt eller ved hjælp af software; b) dosering af reagenserne i beholderne c) solvotermisk syntese d) isolation og oparbejdning e) karakterisering, som typisk udføres med pulverrøntgendiffraktion (PXRD); og f) dataevaluering, som efterfølges af trin et igen.

Parallelisering og miniaturisering opnås i solvotermiske reaktioner ved brug af multiklaver, ofte baseret på det veletablerede 96-brønds pladeformat, der oftest anvendes i biokemi og apotek 19,20,22,23. Forskellige reaktordesign er blevet rapporteret, og flere grupper har konstrueret deres egne reaktorer^19,20. Valg af reaktor afhænger af det kemiske system af interesse, især reaktionstemperaturen, (autogent) tryk og reaktorstabilitet^19,20. For eksempel i en systematisk undersøgelse af zeolitiske imidazolatrammer (ZIF’er), Banerjee et al.²⁵ brugte glaspladeformatet med 96 brønde til at udføre over 9600 reaktioner²⁴. For reaktioner under solvotermiske forhold er tilpassede polytetrafluorethylenblokke (PTFE) eller multiklaver med 24 eller 48 individuelle PTFE-indsatser blevet beskrevet blandt andet af lagergruppen^19,20. De anvendes rutinemæssigt, for eksempel til syntese af metalcarboxylater og phosphonater. Som sådan Reinsch et al.²⁵ rapporterede fordelene ved metoden inden for porøse aluminiums-MOF’er²⁵. De internt fremstillede HT-reaktorsystemer (figur 2), som gør det muligt at undersøge 24 eller 48 reaktioner samtidigt, indeholder PTFE-indsatser med et samlet volumen på henholdsvis 2,655 ml og 0,404 ml (figur 2A,B). Normalt anvendes ikke mere end henholdsvis 1 ml eller 0,1 ml. Mens disse reaktorer anvendes i konventionelle ovne, er mikrobølgeassisteret opvarmning ved hjælp af SiC-blokke og små glasbeholdere også blevet rapporteret²⁶.

Automatisering af undersøgelser fører til tidsbesparelser og forbedret reproducerbarhed, da indflydelsen af den menneskelige faktor minimeres²⁰. I hvor høj grad automatisering er blevet anvendt, varierer stærkt^19,20. Fuldautomatiske kommercielle systemer, herunder pipettering 20 eller vægtningskapacitet²⁰, er kendt. Et nyligt eksempel er brugen af en væskehåndteringsrobot til at studere ZrMOF’er, rapporteret af gruppen Rosseinsky²⁷. Automatiseret analyse kan udføres af PXRD ved hjælp af et diffraktometer udstyret med et xy-trin. I et andet eksempel blev en pladelæser brugt til at screene faststofkatalysatorer, hovedsageligt MOF’er, til HT-screening af nervemiddelnedbrydning²⁸. Prøver kan karakteriseres i en enkelt kørsel uden behov for manuelle prøve- eller positionsændringer. Automatisering eliminerer ikke menneskelige fejl, men det reducerer muligheden for, at det forekommer^19,20.

Ideelt set bør alle trin i en HT-arbejdsgang tilpasses med hensyn til parallelisering, miniaturisering og automatisering for at eliminere mulige flaskehalse og maksimere effektiviteten. Men hvis det ikke er muligt at etablere en HT-arbejdsgang i sin helhed, kan det være nyttigt at anvende udvalgte trin/værktøjer til egen forskning. Brugen af multiklaver til 24 reaktioner er særlig nyttig her. De tekniske tegninger af det internt fremstillede udstyr, der anvendes i denne undersøgelse (samt andre), offentliggøres for første gang og findes i supplerende fil 1, supplerende fil 2, supplerende fil 3 og supplerende fil 4.

Protocol

I denne protokol beskrives HT-undersøgelsen af kemiske systemer for at opdage nye krystallinske materialer ved hjælp af Al-CAU-6029 som eksempel. 1. Design af eksperiment (DOE) BEMÆRK: Det første skridt er at oprette en synteseplan, som kræver kendskab til reaktoropsætningen (figur 2), anvendte reaktanter og opløsningsmidler. Denne synteseplanlægningsprocedure er tilpasset til at udføre 24…

Representative Results

PXRD-dataene er vist i figur 9. Til den første evaluering er de opnåede resultater knyttet til synteseparametrene for det undersøgte parameterrum. Undersøgelsen blev udført ved hjælp af seks forskellige molære forhold mellem linker og metal og fire forskellige molære forhold mellem NaOH / HCI til Al3+. Ved at forbinde disse oplysninger med de opnåede PXRD-data (figur 9) kan det ses, at produkter med lav krystallinitet blev opnået fra syntese…

Discussion

På grund af HT-metodens kompleksitet diskuteres de enkelte trin og selve metoden i de følgende afsnit. Den første del dækker de kritiske trin for hvert arbejdstrin i HT-arbejdsgangen (figur 1), mulige ændringer og begrænsninger af teknikken, hvor det er relevant. Til sidst præsenteres en generel diskussion, der også omfatter HT-metodens betydning i forhold til eksisterende metoder og fremtidige anvendelser.

I det første trin i HT-arbejdsgangen, DOE, skal…

Materials

AlCl3·6H2O	Grüssing	N/A	99%
Filter block for filtration of max. 48 reaction mixtures	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
Hydrochloric acid	Honeywell	258148	Conc. 37 %, p.a.
Multiclaves with 24 individual Teflon inserts	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
N,N ‘-piperazine bis(methylenephosphonic acid	Prepared by coworkers	N/A	H4PMP,  Prepared by coworkers with the method reported by Villemin et al.: D. Villemin, B. Moreau, A. Elbilali, M.-A. Didi, M.’h. Kaid, P.-A. Jaffrès, Phosphorus Sulfur Silicon Relat. Elem. 2010, 185, 2511.
Sample Plate for PXRD	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
Sodium hydroxide	Grüssing	N/A	99%
Stoe Stadi P Combi	STOE	Stadi P Combi	Cu-Kα1 radiation (λ = 1.5406 Å); transmission geometry; MYTHEN2 1K detector; opening angle 18°; curved  monochromator; xy-table
Forced convection oven	Memmert	UFP400