Den riktade syntesen av nya metallorganiska ramar (MOFs) är svår, och deras upptäckt beror på kemistens kunskap och kreativitet. Metoder med hög genomströmning gör det möjligt att utforska komplexa syntetiska parameterfält snabbt och effektivt, vilket påskyndar processen att hitta kristallina föreningar och identifiera syntetiska och strukturella trender.
High-throughput (HT) metoder är ett viktigt verktyg för snabb och effektiv screening av syntesparametrar och upptäckt av nya material. Detta manuskript beskriver syntesen av metallorganiska ramverk (MOFs) från lösning med användning av ett HT-reaktorsystem, vilket resulterar i upptäckten av olika fosfonatbaserade MOFs av kompositionen [Al 2 H 12-x (PMP) 3] Cl x∙6H2O (H 4 PMP =N, N ‘-piperazin bis (metylenfosfonsyra)) förx =4, 6, betecknad som Al-CAU-60-xHCl, innehållande trevärda aluminiumjoner. Detta uppnåddes under solvotermiska reaktionsbetingelser genom att systematiskt screena effekten av länkens molära förhållande till metallen och reaktionsblandningens pH på produktbildningen. Protokollet för HT-undersökningen innehåller sex steg: a) syntesplanering (DOE = design av experiment) inom HT-metodiken, b) dosering och arbete med egenutvecklade HT-reaktorer, c) solvotermisk syntes, d) syntesbearbetning med egenutvecklade filtreringsblock, e) karakterisering med HT-pulverröntgendiffraktion och f) utvärdering av data. HT-metoden användes först för att studera surhetens inverkan på produktbildningen, vilket ledde till upptäckten av Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 eller 6).
Metallorganiska ramverk (MOFs) är porösa, kristallina föreningar vars strukturer består av metallinnehållande noder, som metalljoner eller metall-syrekluster, som är förbundna med organiska molekyler (länkare)1. Genom att variera de metallinnehållande noderna såväl som länkaren kan en mängd olika föreningar erhållas som uppvisar ett brett spektrum av egenskaper och därför har potentiella tillämpningar inom olika områden1.
Stabiliteten hos ett material är viktigt för dess tillämpning 1,2,3. Därför har MOFs innehållande tri- eller tetravalenta metalljoner, såsom Al 3+, Cr3+, Ti 4+ eller Zr4+, med karboxylat2 eller fosfonat4 länkarmolekyler varit i fokus för många undersökningar5,6,7. Förutom den direkta syntesen av stabila MOFs är förbättringen av stabiliteten genom postsyntetiska modifieringar samt bildandet av kompositer ett intresseområde2. Fosfonatbaserade MOFs har rapporterats mindre ofta jämfört med karboxylatbaserade MOFs8. En anledning är den högre koordinationsflexibiliteten hos CPO3 2- gruppen jämfört med -CO2– gruppen, vilket ofta leder till bildandet av täta strukturer och större strukturell mångfald 8,9,10,11. Dessutom måste fosfonsyror ofta syntetiseras, eftersom de sällan finns tillgängliga på marknaden. Medan vissa metallfosfonater uppvisar exceptionell kemisk stabilitet10, är systematisk tillgång till isoretikulära metallfosfonatMOFs, som möjliggör inställning av egenskaper, fortfarande ett ämne med hög relevans12,13. Olika strategier för syntes av porösa metallfosfonater har undersökts, såsom att införliva defekter i annars täta lager, till exempel genom att delvis ersätta fosfonat med fosfatligander 4,14. Men eftersom defekta strukturer är dåligt reproducerbara och porerna inte är enhetliga har andra strategier utvecklats. Under senare år har användningen av steriskt krävande eller ortogonaliserade fosfonsyror som länkarmolekyler framkommit som en lämplig strategi för framställning av porösa metallfosfonater 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Emellertid har en universell syntesväg för porösa metallfosfonater ännu inte upptäckts. Som ett resultat är syntesen av metallfosfonater ofta en process av försök och fel, vilket kräver undersökning av många syntesparametrar.
Parameterutrymmet för ett reaktionssystem inkluderar kemiska och processparametrar och kan vara stort19. Den består av parametrar såsom typ av utgångsmaterial (metallsalt), molära förhållanden för utgångsmaterial, tillsatser för pH-justering, modulatorer, typ av lösningsmedel, lösningsmedelsblandningar, volymer, reaktionstemperaturer, tider etc.19,20. Ett måttligt antal parametervariationer kan lätt resultera i flera hundra individuella reaktioner, vilket gör en noggrant övervägd syntesplan och väl valt parameterutrymme nödvändigt. Till exempel en enkel studie med sex molära förhållanden mellan länkaren och metallen (t.ex. M: L = 1: 1, 1: 2, … till 1:6) och fyra olika koncentrationer av en tillsats och att hålla den andra parametern konstant, leder redan till 6 x 4 = 24 experiment. Användning av fyra koncentrationer, fem lösningsmedel och tre reaktionstemperaturer skulle kräva att de 24 experimenten utfördes 60 gånger, vilket resulterade i 1 440 individuella reaktioner.
High-throughput (HT) metoder bygger på begreppen miniatyrisering, parallellisering och automatisering, i varierande grad beroende på den vetenskapliga frågan som behandlas19,20. Som sådana kan de användas för att påskynda undersökningen av multiparametersystem och är ett idealiskt verktyg för upptäckt av nya föreningar, samt syntesoptimering19,20. HT-metoder har använts framgångsrikt inom olika områden, allt från läkemedelsupptäckt till materialvetenskap20. De har också använts för undersökning av porösa material som zeoliter och MOFs i solvotermiska reaktioner, som nyligen sammanfattats20. Ett typiskt HT-arbetsflöde för solvotermisk syntes består av sex steg (figur 1)19,20,21: a) val av parameterutrymme av intresse (dvs. design av experiment [DOE]), som kan göras manuellt eller med hjälp av programvara; b) dosering av reagenserna i kärlen, c) solvotermisk syntes; d) isolering och upparbetning; e) karakterisering, som vanligtvis görs med pulverröntgendiffraktion (PXRD); och f) datautvärdering, som följs av steg ett igen.
Parallellisering och miniatyrisering uppnås i solvotermiska reaktioner genom användning av multiklaver, ofta baserat på det väletablerade 96-brunnsplattformatet som oftast används inom biokemi och apotek 19,20,22,23. Olika reaktorkonstruktioner har rapporterats och flera grupper har byggt sina egna reaktorer19,20. Valet av reaktor beror på det kemiska systemet av intresse, särskilt reaktionstemperaturen, (autogent) tryck och reaktorstabiliteten19,20. Till exempel, i en systematisk studie av zeolitiska imidazolatramar (ZIF), Banerjee et al.25 använde glasplåtformatet 96 brunnar för att utföra över 9600 reaktioner24. För reaktioner under solvotermiska förhållanden har anpassade polytetrafluoretylenblock (PTFE), eller multiklaver med 24 eller 48 enskilda PTFE-insatser, beskrivits bland annat av stamgruppen19,20. De används rutinmässigt, till exempel vid syntes av metallkarboxylater och fosfonater. Reinsch et al.25 rapporterade fördelarna med metoden inom området porös aluminium MOFs25. De egentillverkade HT-reaktorsystemen (figur 2), som gör det möjligt att studera 24 eller 48 reaktioner samtidigt, innehåller PTFE-insatser med en total volym på 2,655 ml respektive 0,404 ml (figur 2A,B). Vanligtvis används inte mer än 1 ml respektive 0,1 ml. Medan dessa reaktorer används i konventionella ugnar har mikrovågsassisterad uppvärmning med SiC-block och små glaskärl också rapporterats26.
Automatiseringen av studier leder till tidsbesparingar och förbättrad reproducerbarhet, eftersom påverkan av den mänskliga faktorn minimeras20. Graden till vilken automatisering har använts varierar kraftigt19,20. Helautomatiska kommersiella system, inklusive pipettering 20 eller viktningskapacitet20, är kända. Ett färskt exempel är användningen av en vätskehanteringsrobot för att studera ZrMOFs, rapporterad av gruppen Rosseinsky27. Automatiserad analys kan utföras av PXRD med hjälp av en diffraktometer utrustad med ett xy-steg. I ett annat exempel användes en plattläsare för att screena solid state-katalysatorer, främst MOFs, för HT-screening av nervmedelsnedbrytning28. Prover kan karakteriseras i en enda körning utan behov av manuella prov- eller positionsändringar. Automatisering eliminerar inte mänskliga fel, men det minskar risken för att det inträffar19,20.
Helst bör alla steg i ett HT-arbetsflöde anpassas när det gäller parallellisering, miniatyrisering och automatisering för att eliminera eventuella flaskhalsar och maximera effektiviteten. Men om det inte är möjligt att etablera ett HT-arbetsflöde i sin helhet kan det vara till hjälp att anta utvalda steg/verktyg för sin egen forskning. Användningen av multiklaver för 24 reaktioner är särskilt användbar här. De tekniska ritningarna av den egentillverkade utrustning som användes i denna studie (liksom andra) publiceras för första gången och finns i Kompletterande fil 1, Kompletterande fil 2, Kompletterande fil 3 och Kompletterande fil 4.
På grund av HT-metodens komplexitet diskuteras de enskilda stegen och själva metoden i följande avsnitt. Den första delen täcker de kritiska stegen för varje arbetssteg i HT-arbetsflödet (figur 1), möjliga ändringar och begränsningar av tekniken, i förekommande fall. I slutet presenteras en allmän diskussion som även inkluderar HT-metodens betydelse med avseende på befintliga metoder och framtida tillämpningar.
I det första steget i HT-arbetsflöd…
The authors have nothing to disclose.
Arbetet stöddes av Christian-Albrechts-University, delstaten Schleswig-Holstein och Deutsche Forschungsgemeinschaft (särskilt STO-643/2, STO-643/5 och STO-643/10).
Norbert Stock vill tacka B.Sc, M.Sc och doktorander samt samarbetspartners som har genomfört många intressanta projekt med hjälp av high-throughput-metodiken, särskilt professor Bein från Ludwig-Maximilians-Universität i München, som spelade en viktig roll i utvecklingen av reaktorerna.
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 |