Summary

Descubrimiento y optimización de la síntesis de compuestos metal-orgánicos basados en fosfonato de Al(III) isorreticular utilizando métodos de alto rendimiento

Published: October 06, 2023
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Summary

La síntesis dirigida de nuevos marcos metal-orgánicos (MOF) es difícil, y su descubrimiento depende del conocimiento y la creatividad del químico. Los métodos de alto rendimiento permiten explorar campos de parámetros sintéticos complejos de forma rápida y eficiente, acelerando el proceso de búsqueda de compuestos cristalinos e identificando tendencias sintéticas y estructurales.

Abstract

Los métodos de alto rendimiento (HT) son una herramienta importante para el cribado rápido y eficiente de los parámetros de síntesis y el descubrimiento de nuevos materiales. Este manuscrito describe la síntesis de estructuras metal-orgánicas (MOFs) a partir de una solución utilizando un sistema de reactor HT, lo que resulta en el descubrimiento de varios MOF basados en fosfonatos de la composición [Al 2 H 12-x(PMP)3]Cl x∙6H2O (H4 PMP = N,N ‘-piperazina bis(ácido metilenofosfónico)) parax =4, 6, denotado como Al-CAU-60-xHCl, que contiene iones de aluminio trivalentes. Esto se logró en condiciones de reacción solvotérmica mediante el cribado sistemático del impacto de la relación molar del enlazador con el metal y el pH de la mezcla de reacción en la formación del producto. El protocolo para la investigación de la HT incluye seis pasos: a) planificación de la síntesis (DOE = diseño del experimento) dentro de la metodología de la HT, b) dosificación y trabajo con reactores de HT desarrollados internamente, c) síntesis solvotérmica, d) elaboración de la síntesis utilizando bloques de filtración desarrollados internamente, e) caracterización por difracción de rayos X de polvo de HT y f) evaluación de los datos. La metodología HT se utilizó por primera vez para estudiar la influencia de la acidez en la formación del producto, lo que llevó al descubrimiento del Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 o 6).

Introduction

Los marcos metal-orgánicos (MOF) son compuestos porosos y cristalinos cuyas estructuras consisten en nodos que contienen metales, como iones metálicos o grupos de metal-oxígeno, que están conectados por moléculas orgánicas (enlazadores)1. Al variar los nodos que contienen metal, así como el enlazador, se puede obtener una variedad de compuestos que exhiben una amplia gama de propiedades y, por lo tanto, tienen aplicaciones potenciales en diferentes campos1.

La estabilidad de un material es importante para su aplicación 1,2,3. Por lo tanto, los MOF que contienen iones metálicos tri- o tetravalentes, como Al 3+, Cr3+, Ti 4+ o Zr4+, con moléculas enlazadoras de carboxilato2 o fosfonato4 han sido el foco de muchas investigaciones5,6,7. Además de la síntesis directa de MOF estables, la mejora de la estabilidad a través de modificaciones postsintéticas, así como la formación de materiales compuestos, es un campo de interés2. Los MOF a base de fosfonatos se han notificado con menos frecuencia en comparación con los MOF a base de carboxilato8. Una de las razones es la mayor flexibilidad de coordinación del grupo CPO3 2- en comparación con el grupo -CO2, lo que a menudo conduce a la formación de estructuras densas y a una mayor diversidad estructural 8,9,10,11. Además, los ácidos fosfónicos a menudo deben sintetizarse, ya que rara vez están disponibles en el mercado. Si bien algunos fosfonatos metálicos exhiben una estabilidad química excepcional10, el acceso sistemático a los MOF de fosfonatos metálicos isorreticulares, que permite el ajuste de propiedades, sigue siendo un tema de gran relevancia12,13. Se han investigado diferentes estrategias para la síntesis de fosfonatos metálicos porosos, como la incorporación de defectos en capas que de otro modo serían densas, por ejemplo, mediante la sustitución parcial de fosfonatos por ligandos de fosfato 4,14. Sin embargo, como las estructuras defectuosas son poco reproducibles y los poros no son uniformes, se han desarrollado otras estrategias. En los últimos años, el uso de ácidos fosfónicos estéricamente exigentes u ortogonalizados como moléculas enlazadoras ha surgido como una estrategia adecuada para la preparación de fosfonatos metálicos porosos 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Sin embargo, aún no se ha descubierto una ruta de síntesis universal para los fosfonatos metálicos porosos. Como resultado, la síntesis de fosfonatos metálicos es a menudo un proceso de prueba y error, que requiere la investigación de muchos parámetros de síntesis.

El espacio de parámetros de un sistema de reacción incluye parámetros químicos y de proceso y puede ser vasto19. Consta de parámetros como el tipo de material de partida (sal metálica), las relaciones molares de los materiales de partida, los aditivos para el ajuste del pH, los moduladores, el tipo de disolvente, las mezclas de disolventes, los volúmenes, las temperaturas de reacción, los tiempos, etc.19,20. Un número moderado de variaciones de parámetros puede dar lugar fácilmente a varios cientos de reacciones individuales, lo que hace necesario un plan de síntesis cuidadosamente considerado y un espacio de parámetros bien elegido. Por ejemplo, un estudio simple utilizando seis relaciones molares del enlazador con el metal (por ejemplo, M:L = 1:1, 1:2, … a 1:6) y cuatro concentraciones diferentes de un aditivo y manteniendo constante el otro parámetro, lleva ya a 6 x 4 = 24 experimentos. El uso de cuatro concentraciones, cinco disolventes y tres temperaturas de reacción requeriría llevar a cabo los 24 experimentos 60 veces, lo que daría como resultado 1.440 reacciones individuales.

Los métodos de alto rendimiento (HT) se basan en los conceptos de miniaturización, paralelización y automatización, en diversos grados dependiendo de la cuestión científica que se aborde19,20. Como tales, pueden utilizarse para acelerar la investigación de sistemas multiparamétricos y son una herramienta ideal para el descubrimiento de nuevos compuestos, así como para la optimización de la síntesis 19,20. Los métodos de HT se han utilizado con éxito en diferentes campos, que van desde el descubrimiento de fármacos hasta la ciencia de los materiales20. También se han utilizado para la investigación de materiales porosos como zeolitas y MOF en reacciones solvotérmicas, como se ha resumido recientemente20. Un flujo de trabajo típico de HT para la síntesis solvotérmica consta de seis pasos (Figura 1)19,20,21: a) selección del espacio de parámetros de interés (es decir, el diseño del experimento [DOE]), que se puede realizar manualmente o mediante el uso de software; b) dosificación de los reactivos en los recipientes; c) síntesis solvotérmica; d) aislamiento y análisis; e) caracterización, que normalmente se realiza con difracción de rayos X en polvo (PXRD); y f) la evaluación de los datos, a la que sigue de nuevo el primer paso.

La paralelización y la miniaturización se logran en reacciones solvotérmicas mediante el uso de multiclaves, a menudo basadas en el formato de placa de 96 pocillos bien establecido más comúnmente utilizado en bioquímica y farmacia 19,20,22,23. Se han reportado varios diseños de reactores y varios grupos han construido sus propios reactores 19,20. La elección del reactor depende del sistema químico de interés, especialmente de la temperatura de reacción, la presión (autógena) y la estabilidad del reactor19,20. Por ejemplo, en un estudio sistemático de marcos de imidazolato zeolítico (ZIF), Banerjee et al.25 utilizaron el formato de placa de vidrio de 96 pocillos para realizar más de 9600 reacciones24. Para reacciones en condiciones solvotérmicas, el grupo Stock ha descrito bloques de politetrafluoroetileno (PTFE) personalizados, o multiclaves con 24 o 48 insertos individuales de PTFE, entre otros, por el grupo Stock19,20. Se emplean habitualmente, por ejemplo, en la síntesis de carboxilatos metálicos y fosfonatos. Así, Reinsch et al.25 informaron de las ventajas de la metodología en el campo de los MOF de aluminio poroso25. Los sistemas de reactores HT de fabricación propia (Figura 2), que permiten estudiar simultáneamente 24 o 48 reacciones, contienen insertos de PTFE con un volumen total de 2,655 mL y 0,404 mL, respectivamente (Figura 2A, B). Por lo general, no se utiliza más de 1 ml o 0,1 ml, respectivamente. Si bien estos reactores se utilizan en hornos convencionales, también se ha informado de calentamiento asistido por microondas utilizando bloques de SiC y pequeñas vasijasde vidrio 26.

La automatización de los estudios supone un ahorro de tiempo y una mejora de la reproducibilidad, ya que se minimiza la influencia del factor humano20. El grado de utilización de la automatización varía considerablemente19,20. Se conocen sistemas comerciales totalmente automatizados, como el pipeteo 20 o las capacidades de pesaje20. Un ejemplo reciente es el uso de un robot de manejo de líquidos para estudiar los ZrMOFs, reportado por el grupo de Rosseinsky27. El análisis automatizado puede ser realizado por PXRD utilizando un difractómetro equipado con una platina xy. En otro ejemplo, se utilizó un lector de placas para el cribado de catalizadores de estado sólido, principalmente MOFs, para el cribado HT de la degradación del agente nervioso28. Las muestras se pueden caracterizar en una sola ejecución sin necesidad de cambios manuales de muestra o posición. La automatización no elimina el error humano, pero reduce la posibilidad de que ocurra19,20.

Idealmente, todos los pasos de un flujo de trabajo de HT deben adaptarse en términos de paralelización, miniaturización y automatización para eliminar posibles cuellos de botella y maximizar la eficiencia. Sin embargo, si no es posible establecer un flujo de trabajo de HT en su totalidad, puede ser útil adoptar pasos/herramientas seleccionados para la propia investigación. El uso de multiclaves para 24 reacciones es particularmente útil en este caso. Los dibujos técnicos de los equipos de fabricación propia utilizados en este estudio (así como otros) se publican por primera vez y se pueden encontrar en el Archivo Suplementario 1, el Archivo Suplementario 2, el Archivo Suplementario 3 y el Archivo Suplementario 4.

Protocol

En este protocolo se describe la investigación HT de sistemas químicos para descubrir nuevos materiales cristalinos, utilizando como ejemplo Al-CAU-6029 . 1. Diseño del experimento (DOE) NOTA: El primer paso es establecer un plan de síntesis, que requiere conocimiento de la configuración del reactor (Figura 2), los reactivos y los solventes utilizados. Este procedimiento de planificación de s…

Representative Results

Los datos de PXRD se muestran en la Figura 9. Para la primera evaluación, los resultados obtenidos se vinculan a los parámetros de síntesis del espacio paramétrico investigado. La investigación se llevó a cabo utilizando seis relaciones molares diferentes de enlazador a metal y cuatro relaciones molares diferentes de NaOH/HCl a Al3+. Al vincular esta información con los datos obtenidos de PXRD (Figura 9), se puede observar que se obtuvieron pro…

Discussion

Debido a la complejidad del método HT, los pasos individuales y el método en sí se analizan en las siguientes secciones. La primera parte cubre los pasos críticos para cada paso de trabajo del flujo de trabajo de HT (Figura 1), las posibles modificaciones y las limitaciones de la técnica, cuando corresponda. Al final, se presenta una discusión general que también incluye la importancia del método HT con respecto a los métodos existentes y las aplicaciones futuras.

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Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

El trabajo contó con el apoyo de la Universidad Christian-Albrechts, el Estado de Schleswig-Holstein y la Deutsche Forschungsgemeinschaft (especialmente STO-643/2, STO-643/5 y STO-643/10).

Norbert Stock desea agradecer a los estudiantes de B.Sc, M.Sc., y doctorado, así como a los socios de cooperación que han llevado a cabo muchos proyectos interesantes utilizando la metodología de alto rendimiento, en particular al Prof. Bein de la Ludwig-Maximilians-Universität de Múnich, que desempeñó un papel importante en el desarrollo de los reactores.

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

References

  1. Kaskel, S. . The Chemistry of Metal-Organic Frameworks: Synthesis, Characterization, and Applications. , (2016).
  2. Ding, M., Cai, X., Jiang, H. -. L. Improving MOF stability: approaches and applications. Chemical Science. 10 (44), 10209-10230 (2019).
  3. Stock, N., Biswas, S. Synthesis of metal-organic frameworks (MOFs): routes to various MOF topologies, morphologies, and composites. Chemical Reviews. 112 (2), 933-969 (2012).
  4. Shimizu, G. K. H., Vaidhyanathan, R., Taylor, J. M. Phosphonate and sulfonate metal organic frameworks. Chemical Society Reviews. 38 (5), 1430-1449 (2009).
  5. Yuan, S., Qin, J. -. S., Lollar, C. T., Zhou, H. -. C. Stable metal-organic frameworks with group 4 metals: current status and trends. ACS Central Science. 4 (4), 440-450 (2018).
  6. Devic, T., Serre, C. High valence 3p and transition metal based MOFs. Chemical Society Reviews. 43 (16), 6097-6115 (2014).
  7. Rhauderwiek, T., et al. Highly stable and porous porphyrin-based zirconium and hafnium phosphonates-electron crystallography as an important tool for structure elucidation. Chemical Science. 9 (24), 5467-5478 (2018).
  8. Steinke, F., Otto, T., Ito, S., Wöhlbrandt, S., Stock, N. Isostructural family of rare-earth MOFs synthesized from 1,1,2,2-Tetrakis(4-phosphonophenyl)ethylene. European Journal of Inorganic Chemistry. 2022 (34), 2022005562 (2022).
  9. Zhu, Y. -. P., Ma, T. -. Y., Liu, Y. -. L., Ren, T. -. Z., Yuan, Z. -. Y. Metal phosphonate hybrid materials: from densely layered to hierarchically nanoporous structures. Inorganic Chemistry Frontiers. 1 (5), 360-383 (2014).
  10. Glavinović, M., Perras, J. H., Gelfand, B. S., Lin, J. -. B., Shimizu, G. K. H. Orthogonalization of polyaryl linkers as a route to more porous phosphonate metal-organic frameworks. Chemistry. 28 (31), 202200874 (2022).
  11. Yücesan, G., Zorlu, Y., Stricker, M., Beckmann, J. Metal-organic solids derived from arylphosphonic acids. Coordination Chemistry Reviews. 369, 105-122 (2018).
  12. Wharmby, M. T., Mowat, J. P. S., Thompson, S. P., Wright, P. A. Extending the pore size of crystalline metal phosphonates toward the mesoporous regime by isoreticular synthesis. Journal of the American Chemical Society. 133 (5), 1266-1269 (2011).
  13. Zheng, T., et al. Overcoming the crystallization and designability issues in the ultrastable zirconium phosphonate framework system. Nature Communications. 8, 15369 (2017).
  14. Dines, M. B., Cooksey, R. E., Griffith, P. C., Lane, R. H. Mixed-component layered tetravalent metal phosphonates/phosphates as precursors for microporous materials. Inorganic Chemistry. 22 (6), 1003-1004 (1983).
  15. Hermer, N., Reinsch, H., Mayer, P., Stock, N. Synthesis and characterisation of the porous zinc phosphonate [Zn2(H2PPB)(H2O)2]·xH2O. CrystEngComm. 18 (42), 8147-8150 (2016).
  16. Rhauderwiek, T., et al. Crystalline and permanently porous porphyrin-based metal tetraphosphonates. Chemical Communications. 54 (4), 389-392 (2018).
  17. Steinke, F., et al. Synthesis and structure evolution in metal carbazole diphosphonates followed by electron diffraction. Inorganic Chemistry. 62 (1), 35-42 (2023).
  18. Taddei, M., et al. The first route to highly stable crystalline microporous zirconium phosphonate metal-organic frameworks. Chemical Communications. 50 (94), 14831-14834 (2014).
  19. Stock, N. High-throughput investigations employing solvothermal syntheses. Microporous and Mesoporous Materials. 129 (3), 287-295 (2010).
  20. Clayson, I. G., Hewitt, D., Hutereau, M., Pope, T., Slater, B. High throughput methods in the synthesis, characterization, and optimization of porous materials. Advanced Materials. 32 (44), 2002780 (2020).
  21. Clearfield, A., Demadis, K. . Metal Phosphonate Chemistry: From Synthesis to Applications. , (2011).
  22. Mennen, S. M., et al. The evolution of high-throughput experimentation in pharmaceutical development and perspectives on the future. Organic Process Research & Development. 23 (6), 1213-1242 (2019).
  23. Yang, L., et al. High-throughput methods in the discovery and study of biomaterials and materiobiology. Chemical Reviews. 121 (8), 4561-4677 (2021).
  24. Banerjee, R., et al. High-throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture. Science. 319 (5865), 939-943 (2008).
  25. Reinsch, H., Stock, N. High-throughput studies of highly porous Al-based MOFs. Microporous and Mesoporous Materials. 171, 156-165 (2013).
  26. Reimer, N., Reinsch, H., Inge, A. K., Stock, N. New Al-MOFs based on sulfonyldibenzoate ions: a rare example of intralayer porosity. Inorganic Chemistry. 54 (2), 492-501 (2015).
  27. Tollitt, A. M., et al. High-throughput discovery of a rhombohedral twelve-connected zirconium-based metal-organic framework with ordered terephthalate and fumarate linkers. Angewandte Chemie. 60 (52), 26939-26946 (2021).
  28. Palomba, J. M., et al. High-throughput screening of solid-state catalysts for nerve agent degradation. Chemical Communications. 54 (45), 5768-5771 (2018).
  29. Reichenau, T. M., et al. Targeted synthesis of an highly stable aluminium phosphonate metal-organic framework showing reversible HCl adsorption. Angewandte Chemie. , (2023).
  30. Biemmi, E., Christian, S., Stock, N., Bein, T. High-throughput screening of synthesis parameters in the formation of the metal-organic frameworks MOF-5 and HKUST-1. Microporous and Mesoporous Materials. 117 (1), 111-117 (2009).
  31. STOE & Cie GmbH. WinXPOW v.3.1. STOE & Cie GmbH. , (2016).
  32. Groom, C. R., Bruno, I. J., Lightfoot, M. P., Ward, S. C. The Cambridge structural database. Acta Crystallographica Section B, Structural Science. Crystal Engineering and Materials. 72, 171-179 (2016).
  33. Bruno, I. J., et al. New software for searching the Cambridge Structural Database and visualizing crystal structures. Acta Crystallographica. Section B, Structural Science. 58, 389-397 (2002).
  34. Hermer, N., Wharmby, M. T., Stock, N. . CCDC 1499757: Experimental Crystal Structure Determination. , (2017).
  35. Cawse, J. N. . Experimental Design for Combinatorial and High Throughput Materials Development. , (2003).
  36. Dhanumalayan, E., Joshi, G. M. Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE)-a review. Advanced Composites and Hybrid Materials. 1, 247-268 (2018).
  37. Lenzen, D., et al. Scalable green synthesis and full-scale test of the metal-organic framework CAU-10-H for use in adsorption-driven chillers. Advanced Materials. 30 (6), 1705869 (2018).

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Radke, M., Suren, R., Stock, N. Discovery and Synthesis Optimization of Isoreticular Al(III) Phosphonate-Based Metal-Organic Framework Compounds Using High-Throughput Methods. J. Vis. Exp. (200), e65441, doi:10.3791/65441 (2023).

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