Summary

विश्वसनीय Mechanochemistry: स्वच्छ और तरल असिस्टेड बॉल-मिल पीस प्रयोगों के प्रतिलिपि परिणामों के लिए प्रोटोकॉल

Published: January 23, 2018
doi:

Summary

हम विस्तृत प्रक्रियाओं वर्तमान मिलिंग शर्तों के तहत एक ठोस राज्य प्रणाली में विलायक एकाग्रता के एक समारोह के रूप में चरण संरचना के प्रयोगात्मक संतुलन घटता का उत्पादन करने के लिए ।

Abstract

गेंद मिल पीस के संतुलन परिणाम नाटकीय रूप से ऐसे जोड़ा विलायक की बहुत छोटी मात्रा की उपस्थिति के रूप में प्रयोगात्मक स्थितियों में भी छोटे बदलाव के एक समारोह के रूप में बदल सकते हैं । reproducibly और सही इस संवेदनशीलता को पकड़ने के लिए, प्रायोगिक तौर पर ध्यान से हर एक पहलू है कि जांच के तहत गेंद मिल पीस प्रतिक्रिया को प्रभावित कर सकते है पर विचार करने की जरूरत है, पीसने जार सुनिश्चित करने से साफ और शुष्क उपयोग से पहले कर रहे हैं, सही ढंग से शुरू सामग्री के stoichiometry जोड़ने, सत्यापित करने के लिए कि विलायक मात्रा के वितरण सही है, यह सुनिश्चित करना है कि विलायक और पाउडर के बीच बातचीत अच्छी तरह से समझ में आता है और, यदि आवश्यक हो, एक विशिष्ट भिगोने समय जोड़ा जाता है प्रक्रिया के लिए । प्रारंभिक काइनेटिक अध्ययन के लिए आवश्यक मिलिंग समय निर्धारित करने के लिए संतुलन को प्राप्त करने के लिए आवश्यक हैं । तभी अति सुंदर चरण संरचना curves गेंद मिल तरल असिस्टेड पीस (अंतराल) के तहत विलायक एकाग्रता के एक समारोह के रूप में प्राप्त किया जा सकता है । सख्त और सावधान यहां प्रस्तुत लोगों के अनुरूप प्रक्रियाओं का उपयोग करके, इस तरह के मिलिंग संतुलन घटता वस्तुतः सभी मिलिंग सिस्टम के लिए प्राप्त किया जा सकता है । प्रणाली हम इन प्रक्रियाओं को प्रदर्शित करने का उपयोग एक डाइसल्फ़ाइड एक्सचेंज दो homodimers के equimolar मिश्रण से शुरू करने के लिए संतुलन मात्रात्मक heterodimer पर प्राप्त प्रतिक्रिया है । बाद गेंद दो अलग polymorphs, फार्म एक और फार्म बीके रूप में पीस मिल द्वारा बनाई गई है । अनुपात R = [प्रपत्र b]/([प्रपत्र A] + [प्रपत्र b]) मिलिंग संतुलन पर प्रकृति और मिलिंग जार में विलायक की एकाग्रता पर निर्भर करता है ।

Introduction

मैनुअल या गेंद मिल पीस उपकरण का उपयोग Mechanochemistry सामग्री के संश्लेषण के लिए पारंपरिक समाधान तरीकों के लिए एक आकर्षक और टिकाऊ विकल्प के रूप में हाल के वर्षों में तेजी से लोकप्रिय हो गया है । 1 यह आकर्षक है क्योंकि यह ठोस के बीच प्रतिक्रिया के लिए अनुमति देता है के लिए प्रभावी ढंग से और मात्रात्मक प्राप्त किया जाएगा । यह एक “ग्रीन” स्थाई तकनीक है, छोटे या कोई विलायक की आवश्यकता होती है । मिलिंग या मैनुअल पीसने साफ किया जा सकता है, कोई जोड़ा विलायक, या विलायक सहायता के साथ अर्थात्: बाद में, के रूप में जाना जाता “तरल असिस्टेड पीस” (अंतराल),2,3,4 बहुत कम मात्रा में जोड़ा तरल में तेजी लाने कर सकते हैं या यहां तक कि ठोस के बीच अंयथा दुर्गम mechanochemical प्रतिक्रियाओं को सक्षम करें । Mechanochemical तरीके अलग रासायनिक प्रतिक्रियाओं और अकार्बनिक और कार्बनिक यौगिकों के syntheses की एक बढ़ती संख्या के लिए इस्तेमाल किया गया है,5,6,7,8,9 ,11 के साथ ही आणविक सह-क्रिस्टल, 12,13,14 metalorganic चौखटे,15के रूप में अणुकणिका आर्किटेक्चर के गठन के लिए 16 , 17 और भी पिंजरों18 और rotaxanes19। ऐसा लगता है कि कई प्रक्रियाओं विलायक के अभाव में या ंयूनतम substoichiometric मात्रा में विलायक वर्तमान के साथ आगे बढ़ना कर सकते हैं । 2 , 3 , 4 तंत्र और mechanochemical शर्तों द्वारा प्रेरित रासायनिक syntheses और अणुकणिका प्रतिक्रियाओं में शामिल ड्राइविंग बलों बहस का विषय हैं । 1 , 13 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24

हमारे अनुसंधान गेंद मिल पीसने की प्रक्रिया और गेंद मिल अंतराल शर्तों के तहत संतुलन पर विलायक की भूमिका के अंतिम संतुलन परिणामों पर केंद्रित है । दरअसल, के बाद गेंद मिल पीस प्रतिक्रिया पूरा पहुंचता है, ऊष्मा संतुलन दो प्रणालियों हम हमारे सिस्टम में अब तक की जांच की है में हासिल की है, एक स्थिर चरण संरचना के साथ । 25 कारकों है कि अंतिम संतुलन को प्रभावित कर सकते है कई और विविध हैं: गेंद मिल जार आकार और आकार और सामग्री, गेंद असर आकार और वजन और सामग्री, मिलिंग आवृत्ति, तापमान, और विलायक प्रकृति और एकाग्रता । यह स्पष्ट रूप से मामला है जब पीसने की प्रतिक्रिया के ऊष्मा परिणाम नाटकीय रूप से विलायक मात्रा में परिवर्तन के जवाब में परिवर्तन जोड़ा है, जो कुछ समय के रूप में कम के रूप में किया जा सकता है 1 कुल पाउडर के २०० मिलीग्राम प्रति µ एल । 25 सावधान और सख्त प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं के लिए परीक्षण किया जाना है और आदेश में प्रतिलिपि परिशुद्धता और प्रायोगिक परिणामों की सटीकता, reactants और उत्पादों के भंडारण से, pipetting और मिश्रण करने के लिए पूर्व मिलिंग आपरेशनों को प्राप्त करने के लिए । यह नियंत्रण या यहां तक कि एक मिलिंग जार में मापदंडों की निगरानी करने के लिए मुश्किल है । इसलिए, एक यांत्रिक मिक्सर मिल का उपयोग (भी बुलाया थरथानेवाला मिल), जो प्रतिलिपि और नियंत्रित मिलिंग आवृत्तियों और समय के लिए अनुमति देता है, और सील मिलिंग जार आवश्यक हैं । सुनिश्चित करना है कि सभी गेंद मिल पीस प्रतिक्रियाओं तक पहुंचने संतुलन प्रयोगात्मक स्थितियों के कुछ प्रारंभिक काइनेटिक जांच की आवश्यकता है । हम यहाँ मौजूद घटता के लिए इस्तेमाल किया यांत्रिक मिक्सर संशोधित किया गया था. आदेश में पीसने की लंबी अवधि में सील चैंबर में मोटर के निकास के सतत प्रवाह के माध्यम से वार्मिंग से जार को रोकने के लिए, सुरक्षा चक्की के सामने के हिस्से को सील कवर हटा दिया गया था, और एक बाहरी सुरक्षा स्क्रीन अपने पीएलए में रखा गया था ce.

प्रणाली है कि हम एक पहले उदाहरण के रूप में इस्तेमाल किया बीआईएस के बीच डाइसल्फ़ाइड विनिमय प्रतिक्रिया-2-nitrophenyldisulfide (नाम 1-1) और बीआईएस-4-chlorophenyldisulfide (नाम 2-2) आधार उत्प्रेरक की एक छोटी राशि की उपस्थिति में 1, 8-diazabicyclo [ 5.4.0] undec-7-िेने (dbu) गेंद मिल बधिया पीस (एनजी) और अंतराल यौगिक 4-chlorophenyl-2-nitrophenyl-डाइसल्फ़ाइड (नाम 1-2) पर उत्पादन करने के लिए । 26 , 27 बाद गेंद दो अलग polymorphs, फार्म एक और फार्म बीके रूप में पीस मिल द्वारा बनाई है । कई अलग अंतराल सॉल्वैंट्स के लिए, फार्म एक गेंद मिल एनजी शर्तों के तहत ऊष्मा उत्पाद है या जब पर्याप्त नहीं है विलायक संतुलन के लिए लिया पीसने की प्रतिक्रिया में प्रयोग किया जाता है, जबकि फार्म बी गेंद के तहत ऊष्मा उत्पाद के रूप में प्राप्त की है चक्की अंतराल की स्थिति संतुलन में जब पर्याप्त विलायक मिलिंग जार में जोड़ा जाता है । दरअसल फार्म एक गेंद मिल एनजी के तहत फार्म बी से प्राप्त किया जा सकता है, जबकि फार्म बी गेंद मिल अंतराल के तहत फार्म ए से प्राप्त किया जा सकता है । मिलिंग प्रयोगों में इस तरह के प्रत्यक्ष परिवर्तन अंय प्रणालियों,28,29 में पहले सूचित किया गया है और यह बताया गया है कि प्रकृति और विलायक के एकाग्रता अंतराल की स्थिति के तहत प्राप्त polymorph निर्धारितकरतेहैं । 30 हमारे प्रकाशित प्रयोगात्मक परिणाम कार्बनिक सॉल्वैंट्स की एक सीमा के लिए मिलिंग संतुलन curves की जांच शामिल हैं । यहां संतुलन चरण संरचना अनुपात आर = [फार्म बी]/([एक फार्म] + [फार्म बी]) प्रत्येक प्रयोग के लिए जोड़ा गया अंतराल विलायक की मात्रा के खिलाफ साजिश रची है । संतुलन वक्र की शुरुआत और वक्र की तीव्रता के लिए प्रकृति और विलायक के दाढ़ राशि पर निर्भर मिल रहे थे मिलिंग जार करने के लिए जोड़ा ।

Figure 1
चित्रा 1: गेंद मिल पीसने प्रयोगों और विलायक संतुलन curves आर मूल्य का उपयोग कर के प्रमुख अवधारणा की प्रतिक्रिया योजना ।
ये संतुलन घटता रेखांकन के कुछ बूंदों के अलावा के प्रभाव से पता चलता है (वाई धुरी) उत्पाद के चरण संरचना पर विलायक (एक्स अक्ष) जब गेंद मिल लंबे समय के लिए पर्याप्त संतुलन की स्थिति को प्राप्त करने के लिए पीस । प्रपत्र के लिए ग्राफ़ खातों के नीचले भाग को मात्रात्मक रूप से बनाया जा रहा है, प्रपत्र b के लिए ग्राफ़ के शीर्ष भाग को मात्रात्मक रूप से बनाया जा रहा है जबकि प्रपत्र a और form b का मिश्रण विलायक की वॉल्यूम श्रेणी के लिए बनता है ग्राफ के sigmoidal भाग के लिए लेखांकन । इस आंकड़े को रसायन विज्ञान., २०१६, 7, ६६१७ (Ref. 25) में पूरक जानकारी से छोटे परिवर्तन के साथ पुनर्मुद्रित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

ऊष्मा पहलुओं सामांय है और किसी भी मिलिंग प्रणाली को लागू करना चाहिए । एक और उदाहरण के रूप में हमारी टिप्पणियों की सामान्यता दिखाने के लिए, एक एनालॉग संतुलन वक्र भी एक दूसरी प्रणाली के लिए उत्पादित किया गया था: benzamide (bzm) के साथ theophylline (टी. पी.) के 1:1 सह क्रिस्टल के दो polymorphs, फार्म मैं और फार्म द्वितीय, जहां परिणाम पीसने के मिश्रण में पानी की मात्रा पर निर्भर करता है । 25 इन चरण संरचना बनाम विलायक एकाग्रता संतुलन घटता nanocrystal सतहों और गेंद मिल पीस प्रतिक्रियाओं पर संतुलन पर विलायक अणुओं के बीच बातचीत की जांच के लिए आवश्यक हैं । हमारे परिणाम प्रदर्शित करता है कि कुछ संतुलन घटता बहुत तेज हैं, एक “सभी या कुछ भी नहीं” व्यवहार है, जो सोखना साइटों और बाध्यकारी प्रक्रिया के सकारात्मक cooperativity की एक बड़ी संख्या के साथ कणों की विशेषता है दिखा । 31 उथले संतुलन curves cooperativity के एक निचले स्तर का संकेत है और संतुलन में एक तीसरे चरण की उपस्थिति, संभवतः एक अमली स्वयं विलायक शामिल चरण का सुझाव । इस तरह मिलिंग संतुलन घटता हमारे ज्ञान के लिए कोई अंय प्रणाली के लिए उत्पादन किया गया है । हमारा मानना है कि यह आंशिक रूप से ठोस राज्य प्रणाली की अंतर्निहित संवेदनशीलता के कारण भी बहुत छोटे गेंद मिल अंतराल शर्तों के तहत पर्यावरण परिवर्तन करने के लिए ।

अच्छे और विश्वसनीय विलायक एकाग्रता curves की तैयारी केवल अगर प्रयोगात्मक ध्यान से प्रशिक्षण सेट के साथ अपने pipetting कौशल को मांय प्राप्त किया जा सकता है और अगर वे पूरी तरह से समझ (मैं) कैसे पिपेट और सीरिंज काम और (ii) यदि उपकरण वे एक विलायक के सटीक और सटीक मात्रा देने के लिए चुना है इरादा काम करने के लिए उपयुक्त है । विलायक के एक सटीक मात्रा के वितरण उपकरणों की एक किस्म के साथ पूरा किया जा सकता है, यह जा रहा है पिपेट या सीरिंज और उनकी पसंद उपलब्धता पर निर्भर कर सकते हैं, उपयोगकर्ता वरीयता और कौशल, विलायक इस्तेमाल किया और के लिए इच्छित आवेदन के वाष्प दबाव गेंद मिल पीसने का प्रयोग ।

पिपेट हवाई विस्थापन या कई विलायक पर्वतमाला को कवर सकारात्मक विस्थापन के रूप में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं । पिपेट के दोनों प्रकार के व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है के रूप में मैंयुअल रूप से संचालित या इलेक्ट्रॉनिक स्वचालित । स्वचालित पिपेट आम तौर पर पसंद कर रहे है के रूप में वे प्रयोगात्मक कौशल पर कम निर्भर करने के लिए महाप्राण या एक दिया गति से एक विलायक समान रूप से वितरित कर रहे हैं । प्रायोगिक तौर पर विलायक की सटीक मात्रा देने के लिए पिपेट की क्षमता पर भरोसा करना चाहिए । यह तभी हो सकता है यदि पिपेट सही हैं, के साथ शुरू करने के लिए, अच्छी तरह से बनाए रखा, सर्विस्ड और समय पर नपे । आम तौर पर, बाह्य पिपेट अंशांकन सेवाओं के लिए आईएसओ ८६५५ मानक विलायक के रूप में पानी का उपयोग पिपेट जांचना होगा । इसलिए, प्रत्येक कार्बनिक विलायक प्रयोगात्मककर्ता के लिए अपने सटीकता और इरादा मात्रा सीमा से अधिक सटीक वजन प्रयोगों के माध्यम से pipetting के सटीक मांय करना चाहिए तिरस्कृत किया जाना है ।

सबसे अधिक इस्तेमाल किया विलायक वितरण उपकरण हवा विस्थापन पिपेट जो करने के लिए एक टिप की जरूरत है सिरिंज बैरल करने के लिए फिट किया जाना है । वे एक हवा तकिया सिद्धांत पर काम करते हैं; पिस्टन के ऊपर आंदोलन टिप में एक आंशिक निर्वात पैदा करता है, जिसके कारण तरल टिप जो हवा तकिया द्वारा पिस्टन के अंत से अलग है में तैयार किया जा करने के लिए । pipetted विलायक के वाष्प चरण हवा तकिया के भीतर equilibrate करने के लिए शुरू हो जाएगा, वाष्पीकरण की हद तक अपने वाष्प दबाव पर निर्भर करेगा । जब पिपेट अपनी मात्रा सीमा के शीर्ष पर सेट किया जाता है की तुलना में तरल और वाष्पीकरण के लिए क्षमता के लिए क्षेत्र का अनुपात नाटकीय रूप से बढ़ जाती है के बाद से उनके निम्नतम मात्रा रेंज पर सेट चर मात्रा पिपेट का उपयोग करते समय पूर्व गीला करना महत्वपूर्ण है । प्रायोगिक तौर पर जब इस संतुलन हासिल की है, के रूप में विलायक aliquot लटक जाएगा, लेकिन एक स्प्रिंग से के रूप में पिस्टन के अंत से अलग हो जाएगा पता है, टिप रहने फर्म के अंत में विलायक जब पिपेट ऊर्ध्वाधर स्थिति में कुछ सेकंड से अधिक आयोजित किया जाता है : टिप अंदर विलायक प्रसूता या ड्रिप नहीं करना चाहिए । वायु विस्थापन पिपेट दो मोड में इस्तेमाल किया जा सकता है; सबसे आम तौर पर इस्तेमाल किया आगे pipetting मोड जहां सभी aspirated विलायक मात्रात्मक पिस्टन के एक पूर्ण आंदोलन द्वारा तिरस्कृत है । अंय मोड रिवर्स pipetting मोड है; इस मोड में विलायक के एक परिकलित अतिरिक्त पिपेट द्वारा aspirated है, और इसलिए मात्रात्मक वितरण के बाद, विलायक के एक अवशिष्ट मात्रा पिपेट टिप जो बर्बाद करने के लिए निपटाने की जरूरत में रहते हैं । रिवर्स pipetting मोड चिपचिपा और सॉल्वैंट्स की बहुत छोटी मात्रा के वितरण के लिए और अधिक उपयुक्त हो सकता है । हालांकि, उच्च वाष्प दबाव सॉल्वैंट्स जैसे dichloromethane (डीसीएम) या diethyl ईथर के लिए, हवा विस्थापन पिपेट में equilibration आसानी से प्राप्त नहीं किया जा सकता । सकारात्मक विस्थापन पिपेट या सीरिंज इस मामले में अधिक उपयुक्त हैं ।

हम प्रस्ताव है कि संतुलन चरण संरचना बनाम विलायक एकाग्रता curves पर्याप्त रूप से अच्छी तरह से डिजाइन, प्रदर्शन और नियंत्रित गेंद मिल अंतराल शर्तों के तहत किसी भी प्रणाली के लिए प्राप्त किया जा सकता है ।

Protocol

1. कार्बनिक सॉल्वैंट्स के सटीक वितरण के सत्यापन रिवर्स पिपेट मोड में कार्बनिक सॉल्वैंट्स के सटीक pipetting के सत्यापननोट: रिवर्स pipetting मोड में वायु विस्थापन पिपेट अंतराल सॉल्वैंट्स (एसीटोन, acetonitrile (Me…

Representative Results

इस प्रोटोकॉल हमेशा प्रयोगात्मक अपने या अपने pipetting कौशल मांय द्वारा शुरू की है और गुणवत्ता और पिपेट या इस्तेमाल किया सीरिंज के प्रदर्शन का निरीक्षण । यह सबसे अच्छा करने के लिए गेंद मिल पीसने ?…

Discussion

जबकि mechanochemistry पर साहित्य के अधिकांश या तो व्यावहारिक परिणामों पर या प्रतिक्रिया तंत्र पर केंद्रित है, इस कागज गेंद चक्की पीस के ऊष्मा समाप्ति बिंदु पते । इस परिप्रेक्ष्य से, काइनेटिक अध्ययन अंतिम संतुलन…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

अंब और JKMS वित्तीय सहायता के लिए EPSRC के आभारी हैं । हम डिजाइन और यांत्रिक सेटअप और पी. Donnelly के लिए धंयवाद सी. ए. नरम पीसने के लिए grinders के स्वचालन के सॉफ्टवेयर डिजाइन के लिए । हम पीसने जार के निर्माण के लिए यांत्रिक कार्यशाला से रिचर्ड कोकिला, Ollie Norris और साइमन Dowe धंयवाद, और “पुश एक बटन” सेटअप और कीथ Parmenter के लिए रसायन विज्ञान विभाग में कांच कार्यशाला से के लिए कांच नमूना PXRD स्लाइड का निर्माण । हम रखरखाव और पेंच बंद करने जार पीसने की मरंमत के लिए सी. ए. नरम धंयवाद । हम रसायन विज्ञान और प्रोफेसर क्रिस हंटर विभाग में अपनी प्रयोगशाला सुविधाओं के उपयोग के लिए PXRD उपकरण के उपयोग के लिए प्रोफेसर बिल जोंस धंयवाद । हम सामांय समर्थन के लिए पृथ्वी विज्ञान विभाग (गिल) का धंयवाद ।

Materials

Bis(2-nitrophenyl) disulfide named 1-1 Aldrich 215228-25G [1155-00-6]
(98%)
Bis(4-chlorophenyl) disulfide named 2-2 TCI D0360 [1142-19-4]
(98+%)
1,8-Diazabicyclo [5.4.0]undec-7-ene (dbu) Acros Organics 160610250 [6674-22-2]
(>97.5 % by GC)
2-nitrophenyl-4-chlorophenyl-disulfide named 1-2 in house synthesis Synthesised by ball mill grinding: 1:1 of 1-1 + 2-2 + 2%M dbu
Form A in house synthesis Polymorph of 1-2 prepared by ball mill neat grinding
Form B in house synthesis Polymorph of 1-2 prepared by ball mill liquid assisted grinding
Formic Acid Scientific Laboratory Supplies 56302-50ML [64-18-6]
Mass spectrometry grade
Trifluoroacetic acid (TFA) ThermoFisher 85183 [76-05-1]
Reagent-Plus 99%
Water (H2O) Rathburn W/0106/PB17 [7732-18-5]
HPLC gradient analysis grade used also for HPLC analysis
Acetonitrile (MeCN), Merck 160610250 [75-05-8]
Hypergrade for LCMS grade LiChrosolv used also for HPLC analysis
Acetone Fisher Scientific A/0606/17 [67-64-1]
HPLC grade
Methanol (MeOH) Fisher Scientific M/4062/17 [67-56-1]
LCMS grade
Ethanol (EtOH) Sigma Aldrich 15727-5L [64-17-5]
laboratory reagent, absolute,
isopropanol (IPA) Fisher Scientific P/7508/17 [67-63-0]
HPLC grade
Tetrahydrofurane (THF) Acros Organics 268290010 [109-99-9]
For HPLC; 99%8, unstabilised
Ethyl acetate (EtOAc) Fisher Scientific E/0906/15 [141-78-6]
Chloroform (CHCl3,) Fisher Scientific C/4966/17 [67-66-3]
HPLC grade, stabilised with amylene
Dichloromethane (DCM) Fisher Scientific D/1857/17 [75-09-2]
HPLC grade, unstabilised
Dimethylformamide (DMF) Alfa Aesar 22915 [68-12-2] very toxic
HPLC grade 99+% pure
Dimethylsulfoxide (DMSO) Alfa Aesar 36480 [67-68-5] very toxic
ACS, 99.9% min
Cyclohexane Fisher Scientific C/8936/15 [110-82-7]
HPLC grade, 99.8+%
Toluene Fisher Scientific Ltd T/2306/15 [108-88-3]
HPLC grade
Benzene Sigma Aldrich 401765 [71-43-2]
puriss pa reagent
5 -120 mL automatic pipette Sartorius Picus eLine systematic error in specification:
for 120mL is ±0.48 mL,
for 60 mL is ±0.36 mL,
for 12 mL is ±0.24 mL
VIAL screw clear 1.5ml + CAP bakelite solid screw PTFE lined for 10mm vial Jaytee Biosciences JW41110 +
JW43927
Capped vial used for validating accuracy and precision of dispensed solvent
Crystal Structural Database The Cambridge Crystallogra-phic Data Centre (CCDC) Cambridge Structural Database (CSD) Containing over 900,000 entries from x-ray and neutron diffraction analyses
powder X-ray diffractometer Panalytical X-Pert PRO MPD Equipped with an X’Celerator detector with Cu Kα radiation
powder X-ray diffractometer data Collector software Panalytical X’Pert HighScore Plus v3.0 solftware package used to adquire the PXRD data
Rietveld refinement software including Scherrer equation BRUKER Version 6 of TOPAS-Academic To prepare phase composition and crystal size from PXRD scans
HPLC equipment Agilent HP1200 Series modular HPLC system HPLC high pressure binary pump, autosampler, Peltier type column oven with 6 µL heat exchanger and Diode Array Detector with a semi-micro flow cell (1.6uL, 6mm pathlength).
HPLC column Agilent 1.8mm Zorbax XDB C18, (4.6mm ID × 50 mm length)
Ball mill grinder Retsch MM400 modified: replaced safety cover for external safety screen
14 mL snap closure stainless steel jars In house manuctured from 316 stainless steel
14 mL screw closure stainless steel jars In house manuctured from 316 stainless steel –
contains a PTFE washer
Stainless steel ball bearings: Dejay Distribution Ltd 7.0 mm (1.37g) Stainless Steel Balls A.I.S.I. 420 Carbon (0.25/0.35%) & Chromium (12/14%)
"Push a Button" software Developed at Department of Chemistry Written in Visual Basic. It activates an electronically controlled switch (relay).
"Push a Button" Solenoid Magnet Schultz Type 609RP
12 Volt DC
609RP (RP stands for)
R – for spring-return
P – for push-rod
"Push a Button"
Solenoid holder
Department of Chemistry To hold solenoid over START button on the MM400
"Push a Button" Relay KM Tronic USB one relay USB Relay Controller – One Channel – HyperTerminal ASCII commands. Connection to a PC's USB port using VCP (Virtual COM port).
re-usable adhesive putty Bostik Blu-Tack Used to hold the jar fixed on the bench.

References

  1. James, S. L., et al. Mechanochemistry: opportunities for new and cleaner synthesis. Chem Soc Rev. 41 (1), 413-447 (2012).
  2. Braga, D., et al. Solvent effect in a “solvent free” reaction. CrystEngComm. 9 (10), 879-881 (2007).
  3. Karki, S., Friscic, T., Jones, W. Control and interconversion of cocrystal stoichiometry in grinding: stepwise mechanism for the formation of a hydrogen-bonded cocrystal. CrystEngComm. 11 (3), 470-481 (2009).
  4. Kaupp, G. Solid-state molecular syntheses: complete reactions without auxiliaries based on the new solid-state mechanism. CrystEngComm. 5 (23), 117-133 (2003).
  5. Biswal, B. P., et al. Mechanochemical synthesis of chemically stable isoreticular covalent organic frameworks. J Am Chem Soc. 135 (14), 5328-5331 (2013).
  6. Garay, A. L., Pichon, A., James, S. L. Solvent-free synthesis of metal complexes. Chem Soc Rev. 36 (6), 846-855 (2007).
  7. Kaupp, G. Mechanochemistry: the varied applications of mechanical bond-breaking. Cryst Eng Comm. 11 (3), 388-403 (2009).
  8. Morris, R. E., James, S. L. Solventless synthesis of zeolites. Angew Chem Int Ed Engl. 52 (8), 2163-2165 (2013).
  9. Stolle, A., Szuppa, T., Leonhardt, S. E., Ondruschka, B. Ball milling in organic synthesis: solutions and challenges. Chem Soc Rev. 40 (5), 2317-2329 (2011).
  10. Suryanarayana, C. Mechanical alloying and milling. Prog Mater Sci. 46 (1-2), 1-184 (2001).
  11. Wang, G. W. Mechanochemical organic synthesis. Chem Soc Rev. 42 (18), 7668-7700 (2013).
  12. Braga, D., Grepioni, F. Reactions between or within molecular crystals. Angew Chem Int Ed Engl. 43 (31), 4002-4011 (2004).
  13. Friscic, T., Childs, S. L., Rizvi, S. A. A., Jones, W. The role of solvent in mechanochemical and sonochemical cocrystal formation: a solubility-based approach for predicting cocrystallisation outcome. Cryst Eng Comm. 11 (3), 418-426 (2009).
  14. Fucke, K., Myz, S. A., Shakhtshneider, T. P., Boldyreva, E. V., Griesser, U. J. How good are the crystallisation methods for co-crystals? A comparative study of piroxicam. New J Chem. 36 (10), 1969-1977 (2012).
  15. Bennett, T. D., et al. Facile mechanosynthesis of amorphous zeolitic imidazolate frameworks. J Am Chem Soc. 133 (37), 14546-14549 (2011).
  16. Braga, D., et al. Mechanochemical preparation of molecular and supramolecular organometallic materials and coordination networks. Dalton Trans. (10), 1249-1263 (2006).
  17. Yuan, W., Friščić, T., Apperley, D., James, S. L. High Reactivity of Metal-Organic Frameworks under Grinding Conditions: Parallels with Organic Molecular Materials. Angew Chem Int Ed Engl. 122 (23), 4008-4011 (2010).
  18. Icli, B., et al. Synthesis of Molecular Nanostructures by Multicomponent Condensation Reactions in a Ball Mill. J Am Chem Soc. 131 (9), 3154-3155 (2009).
  19. Hsu, C. -. C., et al. Solvent-free synthesis of the smallest rotaxane prepared to date. Angew Chem Int Ed Engl. 47 (39), 7475-7478 (2008).
  20. Boldyreva, E. Mechanochemistry of inorganic and organic systems: what is similar, what is different?. Chem Soc Rev. 42 (18), 7719-7738 (2013).
  21. Gracin, D., Štrukil, V., Friščić, T., Halasz, I., Užarević, K. Laboratory Real-Time and In Situ Monitoring of Mechanochemical Milling Reactions by Raman Spectroscopy. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (24), 6193-6197 (2014).
  22. Halasz, I., et al. In situ and real-time monitoring of mechanochemical milling reactions using synchrotron X-ray diffraction. Nat. Protocols. 8 (9), 1718-1729 (2013).
  23. Ma, X., Yuan, W., Bell, S. E. J., James, S. L. Better understanding of mechanochemical reactions: Raman monitoring reveals surprisingly simple ‘pseudo-fluid’ model for a ball milling reaction. Chem Commun. 50 (13), 1585-1587 (2014).
  24. Tumanov, I. A., Michalchuk, A. A. L., Politov, A., Boldyreva, E., Boldyrev, V. V. Inadvertent Liquid Assisted Grinding: A Key to “Dry” Organic Mechano-Co-Crystallisation?. CrystEngComm. 19, 2830-2835 (2017).
  25. Belenguer, A. M., Lampronti, G. I., Cruz-Cabeza, A. J., Hunter, C. A., Sanders, J. K. M. Solvation and surface effects on polymorph stabilities at the nanoscale. Chem Sci. 7 (11), 6617-6627 (2016).
  26. Belenguer, A. M., Friscic, T., Day, G. M., Sanders, J. K. M. Solid-state dynamic combinatorial chemistry: reversibility and thermodynamic product selection in covalent mechanosynthesis. Chem Sci. 2 (4), 696-700 (2011).
  27. Belenguer, A. M., Lampronti, G. I., Wales, D. J., Sanders, J. K. M. Direct Observation of Intermediates in a Thermodynamically Controlled Solid-State Dynamic Covalent Reaction. J Am Chem Soc. 136 (46), 16156-16166 (2014).
  28. Evora, A. O. L., et al. Resolved structures of two picolinamide polymorphs. Investigation of the dimorphic system behaviour under conditions relevant to co-crystal synthesis. CrystEngComm. 14 (24), 8649-8657 (2012).
  29. Trask, A. V., et al. Selective polymorph transformation via solvent-drop grinding. Chemical Communications. (7), 880 (2005).
  30. Hasa, D., Miniussi, E., Jones, W. Mechanochemical Synthesis of Multicomponent Crystals: One Liquid for One Polymorph? A Myth to Dispel. Cryst Growth Des. 16 (8), 4582-4588 (2016).
  31. Hunter, C. A., Anderson, H. L. What is cooperativity?. Angew Chem Int Ed Engl. 48 (41), 7488-7499 (2009).
  32. McCusker, L. B., Dreele, R. B. V., Cox, D. E., Louër, D., Scardi, P. Rietveld refinement guidelines. J Appl Crystallogr. 32 (1), 36-50 (1999).
  33. Allen, F. The Cambridge Structural Database: a quarter of a million crystal structures and rising. Acta Crystallogr Sect B. 58 (3 Part 1), 380-388 (2002).
  34. Gražulis, S., et al. Crystallography Open Database-an open-access collection of crystal structures. J Appl Crystallogr. 42 (4), 726-729 (2009).
  35. Cheary, R. W., Coelho, A. A fundamental parameters approach to X-ray line-profile fitting. J Appl Crystallogr. 25 (2), 109-121 (1992).
  36. Tumanov, I. A., Michalchuk, A. A. L., Politov, A., Boldyreva, E., Boldyrev, V. V. Inadvertent Liquid Assisted Grinding: A Key to “Dry” Organic Mechano-Co-Crystallisation?. CrystEngComm. 19, 2830-2835 (2017).
  37. Batzdorf, L., Fischer, F., Wilke, M., Wenzel, K. J., Emmerling, F. Direct In Situ Investigation of Milling Reactions Using Combined X-ray Diffraction and Raman Spectroscopy. Angew Chem Int Ed Engl. 54 (6), 1799-1802 (2015).
  38. Tumanov, N., Ban, V., Poulain, A., Filinchuk, Y. 3D-printed jars for ball-milling experiments monitored in situ by X-ray powder diffraction. J Appl Crystallogr. 50 (4), 994-999 (2017).
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Belenguer, A. M., Lampronti, G. I., Sanders, J. K. M. Reliable Mechanochemistry: Protocols for Reproducible Outcomes of Neat and Liquid Assisted Ball-mill Grinding Experiments. J. Vis. Exp. (131), e56824, doi:10.3791/56824 (2018).

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